EP2232141A1 - Dispositif et procede pour stabiliser la pression et le debit d'un melange gazeux alimentant un brûleur cylindrique à combustion de surface - Google Patents

Dispositif et procede pour stabiliser la pression et le debit d'un melange gazeux alimentant un brûleur cylindrique à combustion de surface

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EP2232141A1
EP2232141A1 EP08861338A EP08861338A EP2232141A1 EP 2232141 A1 EP2232141 A1 EP 2232141A1 EP 08861338 A EP08861338 A EP 08861338A EP 08861338 A EP08861338 A EP 08861338A EP 2232141 A1 EP2232141 A1 EP 2232141A1
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EP
European Patent Office
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burner
flow
blades
central
central ring
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EP08861338A
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Joseph Le Mer
Rocco Giannoni
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Sermeta SAS
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
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    • F23D2203/101—Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012—Flame diffusing means characterised by surface shape tubular
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    • F23D2900/00003—Fuel or fuel-air mixtures flow distribution devices upstream of the outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
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    • F23D2900/14021—Premixing burners with swirling or vortices creating means for fuel or air
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    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14701—Swirling means inside the mixing tube or chamber to improve premixing

Definitions

  • the present invention relates to the supply of combustible gas mixture, for example air / natural gas mixture, air / propane, air / butane, air / biogas, or air / fuel vaporized, a cylindrical burner surface combustion.
  • combustible gas mixture for example air / natural gas mixture, air / propane, air / butane, air / biogas, or air / fuel vaporized, a cylindrical burner surface combustion.
  • a pressure and flow stabilizing device for such a gas burner, a gas burner equipped with this stabilizer device, and a method for stabilizing the pressure and the flow of the gas mixture feeding the burner.
  • a cylindrical surface-burning gas burner comprises a perforated cylindrical wall pierced with a multitude of small orifices, a discoid bottom wall and an inlet opening, through which a pre-mixed combustible gas mixture (premix) is introduced into the burner, for example by means of a fan or a turbine.
  • premix combustible gas mixture
  • the cylindrical wall is a perforated stainless steel sheet, the orifices being circular holes and / or slots of very small section.
  • the invention is also applicable, however, to grid-like walls or as a layer of porous material resistant to high temperatures (for example woven fibers made of refractory material).
  • the combustible gas is distributed inside the burner and escapes radially through the orifices of the cylindrical wall; the burner being lit, the outer face of the wall acts as a combustion surface, each orifice generating a radial flame of greater or lesser height, depending on the area of its section and the gas flow.
  • This type of burner is particularly suitable for equipping a boiler, for domestic or industrial use, provided with one or more tubes (circular section or other) surrounding the combustion surface.
  • One or more fluids to be heated circulates in this (these) tube (s) which is (are) licked (s) by the hot gases from the combustion surface.
  • the invention relates more particularly to the stabilization of the pressure and the flow rate of the gas mixture inside the burner, so as to obtain a complete combustion and evenly distributed over the entire cylindrical combustion surface of the burner, with a uniform flame height for optimal performance while reducing emissions of carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • CO carbon monoxide
  • CO 2 carbon dioxide
  • the quality and the hygiene of the surface combustion obtained by this type of burner depend on several parameters, in particular on the dimension (section of passage) of the orifices made in the cylindrical wall, and of their mutual spacing (rate of openwork). perforated wall).
  • the uniformity of the gas flow over the entire combustion surface conditions the combustion height and its regularity over the entire surface, on which the emission of CO and CO 2 depends.
  • FIGS. 1 to 3 there is shown a traditional combustion gas burner 1 of conventional type, comprising a cylindrical perforated wall 2, axis X- X '(for example horizontal), crossed by a multitude of small holes 20, a sealed discoid bottom 3, and a circular inlet opening 10, through which a combustible gas mixture is introduced inside the burner 1.
  • a traditional combustion gas burner 1 of conventional type comprising a cylindrical perforated wall 2, axis X- X '(for example horizontal), crossed by a multitude of small holes 20, a sealed discoid bottom 3, and a circular inlet opening 10, through which a combustible gas mixture is introduced inside the burner 1.
  • this fuel premix is supplied to the burner by means of a fan V.
  • the combustion surface is constituted by the outer face of the wall 2, on which the flames are formed, referenced F.
  • the combustion is generally initiated by an igniter (not shown) located near this surface.
  • an igniter located near this surface.
  • the outlet mouth of the fan is circular and has the same diameter as the inlet 10 of the burner.
  • the sleeve M used is cylindrical also having this diameter, and the assembly is mounted coaxially along X-X '.
  • the connecting sleeve M is provided with a safety valve comprising a flap A, hinged at the top, the function of which is to prevent backflows from burner to the fan when it is stopped. This is useful especially when several devices are connected to the same chimney.
  • the valve is closed when the shutter, under the effect of its own weight, is in the vertical position Ao shown in broken lines in the figure.
  • the difficulty is further increased in case of remote positioning of the fan relative to the burner ( Figure 2) or the presence of a valve at the burner inlet ( Figure 3).
  • the object of the invention is to solve these problems, by proposing a device for stabilizing pressure and flow of simple design, without moving parts, light and inexpensive, practically inducing no pressure drop, adapted to be placed at the inlet of the burner to significantly improve the distribution of the gas mixture inside the burner and thus ensure a uniform supply of all the orifices of the combustion surface, generating a constant flame height over all this surface.
  • this pressure and flow stabilizing device is intended to equip a gas burner having a perforated cylindrical wall acting as a combustion surface, a bottom wall and an inlet opening, through which a combustible gas mixture is introduced inside the burner.
  • the device consists of a grid adapted to be positioned inside said inlet opening, and comprising a central ring surrounded by a series of deflecting blades, this grid being thus shaped that it authorizes the free passage of the central portion of the gas mixture flow entering the burner through the central ring, while said deflector blades generate a swirling movement of the peripheral portion of this flow entering the burner from the outside of the central ring.
  • the burner is fed simultaneously with two gaseous flows of different configurations, namely an external cyclonic vortex which moves along an approximately helical path towards the bottom wall of the burner, and a central undisturbed flow, or little disturbed, which also moves to the bottom of the burner while relaxing inside the cyclone.
  • the patent document EP-I 538 395 relates to a cylindrical gas burner internally provided with a device for reducing the acoustic resonance phenomena and, correlatively, the burner noises.
  • This device comprises parallel or "cross" partitions, which prevent any swirling movement of the gas mixture feeding the burner, which thwarts the homogenization and good distribution of this mixture, contrary to the desired objective.
  • German utility model DE 9013114 U describes a disk intended to equip an oil or gas burner.
  • This disk is provided with a central opening through which the fuel (fuel) and a first part of the air (oxidizer) pass, as well as a series of radial slots which are crossed by the other part of the necessary air. to combustion.
  • This document does not specify which form of burner this disc is associated, nor fortiori, that the disc is positioned inside the inlet opening of this burner.
  • the central ring is circular, and is coaxial with the perforated cylindrical wall (when the device is mounted on the burner); said blades extend radially with respect to the axis of the perforated cylindrical wall (when the device is mounted on the burner), with a regular angular distribution;
  • the number of blades is between 6 and 30, and advantageously between 11 and 25;
  • said blades are plane blades, all identical and of constant width, which are inclined in the longitudinal direction, their plane forming an acute angle with respect to the axis of the perforated cylindrical wall;
  • said angle has a value of between 15 and 45 °, preferably of the order of 30 °;
  • said blades are integral with the central ring
  • Said grid comprises a circular outer ring, whose blades are integral, adapted to be fitted and immobilized in the burner inlet opening;
  • the central ring is a sleeve whose length is substantially equal to the axial dimension of the blades (suitable solution for a burner of low to medium length);
  • the central ring is a sleeve whose length is greater than the axial dimension of the blades (suitable solution for a burner of great length).
  • the invention also relates to a cylindrical burner with surface combustion equipped with a pressure-stabilizing device as described above.
  • FIG. 6 is a side view, in section, of the same device, the section plane being referenced VI-VI in Figure 5;
  • - Figures 7 and 8 show a second possible embodiment of the stabilizer device of the invention, these views being similar, respectively, to Figures 4 and 6 of the first embodiment;
  • FIG. 9 shows a third possible embodiment of the stabilizer device of the invention, this view being similar to Figure 4 of the first embodiment
  • FIG. 10 is an axial section of a burner provided with a stabilizer device according to the first embodiment
  • FIG. 11 is a view similar to FIG. 10, intended to illustrate the operation of the device by showing how the gas flow is distributed inside the burner;
  • Figure 12 is a perspective view, and in section, similar to Figure 11;
  • FIG. 13 is a view similar to Figure 11, but with a burner of greater length, provided with a stabilizer device according to the second embodiment.
  • the device shown in Figures 4 to 6 consists of a grid, for example stainless steel sheet thin.
  • This grid 4a is composed of a pair of concentric rings, one central 5a, the other outer 7, shaped cylindrical sleeves of short length, common axis X-X ', as well as a series of blades 6.
  • the grid comprises 12 blades, distributed at 30 ° all around the central ring. They are fixed at their ends, for example by welding, to each of the two sleeves 5a and 7.
  • the outer diameter of the ring 7 is chosen to correspond to the internal diameter of the cylindrical wall of the burner to be equipped, so that the grid can be inserted and maintained without play in the burner inlet opening, coaxially with it.
  • blades 6 all identical, are flat blades of constant width. They are inclined in the longitudinal direction, so as to form an acute angle, designated ⁇ in Figure 6, relative to the axis X-X '. As an indication, this angle has a value of the order of 30 °.
  • the central ring 5a defines a cylindrical channel 8, of axis X-X ', allowing the free passage of gases.
  • the spaces between blades 6 define an annular peripheral passageway 9 for the gases.
  • the device which is the subject of the second embodiment shown in FIGS. 7 and 8 consists of a gate 4b which is different from the gate 4a which has just been described by the fact that the length i of its central sleeve, referenced 5b, is significantly larger than the axial dimension e common to the blades 6 and to the outer ring 7. As will be seen below, with reference to FIG. 13, the portion of this sleeve 5b that exceeds the general plane of the grate is intended to penetrate inside the burner.
  • the device which is the subject of the third embodiment shown in FIG. 9 consists of a gate 4c which differs from the gate 4a in that it does not comprise an external ring.
  • the blades 6 are intended to be positioned and apply directly against the cylindrical inner face of the burner inlet opening.
  • These blades therefore have a length such that their outer edge fits into a cylindrical envelope (fictional) whose diameter corresponds to that of this inner face.
  • a stabilizing device 4b according to the first embodiment described above is fitted axially into the inlet opening 10 of the burner and is retained therein, for example under the effect of the simple friction due to a certain tightening between the external face. of the ring 7 and the inner face of the mouth of the cylindrical wall 2.
  • the ring 10 is provided with a flange 70 forming a stop, which limits its penetration inside the burner body.
  • FIGS 11 and 12 illustrate the mode of action of the device.
  • the central flow symbolized by the arrows X, is a regular or even laminar flow, generally trajectory in translation along X-X 'towards the bottom 3.
  • the gaseous mass tends to flare, in the form of cone, then "in trumpet", as shown by the outline of the envelope Ea.
  • the external flow symbolized by the arrows Y, follows a swirling trajectory, in a helix, at a high speed, around the central flow, this trajectory combining an axial translation movement and a rotational movement (twisting) which is printed to it by the inclination of the deflecting blades 6.
  • the external flow surrounds the central stream over almost its entire length (upstream side).
  • the combination of these two flows ensures a regular distribution of the flow rate and the pressure of the gas inside the burner, over its entire length and over its entire periphery (over 360 °).
  • the dimensions of the stabilizer device must naturally be adapted to the structure and dimensions of the burner.
  • the burner la just described has a perforated wall 2 made of stainless steel sheet whose thickness is 0.3 mm.
  • the rate of perforation of the wall is of the order of 30%.
  • La and Da in FIG. 10 Its length and internal diameter, respectively designated La and Da in FIG. 10, are respectively 160 mm and 70 mm.
  • the stabilizing device 4a can also be made of a thin sheet of stainless steel.
  • the outer ring 7 has a diameter of 70 mm with a functional tolerance allowing it to fit without play, or even with a certain tightening, into the burner inlet opening.
  • the central ring 5a has a diameter of 24 mm.
  • the axial dimension e of the device is 10 mm.
  • Burner Ib shown in FIG. 13 is similar to burner 1a except for its longer length Lb.
  • Lb 240 mm
  • Db 70 mm.
  • the stabilizing device 4b is identical to the device 4a, except for the sleeve constituting the central ring 5b, whose length i is substantially greater than e.
  • this sleeve 5b has the effect of channeling the central flow so that it diverges less rapidly than the central flow of the first embodiment, so that it can reach the bottom wall 3, plus away from the opening as before.
  • the envelope Eb which separates the central flow from the external cyclone flow flares more progressively downstream, inside the burner Ib, than the envelope Ea inside the burner la.
  • the operating mode of the two stabilizers is similar, and generates a uniform distribution of gas flow and pressure, resulting in a regular flame height and optimal combustion hygiene.
  • the entrance opening is similar, and generates a uniform distribution of gas flow and pressure, resulting in a regular flame height and optimal combustion hygiene.
  • the stabilizer device could be shaped so as to cap (from the outside) the inlet mouth of the burner instead of fitting inside.

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Abstract

L'invention s'applique à un brûleur à gaz comportant une paroi cylindrique perforée faisant office de surface de combustion, une paroi de fond et une ouverture d'entrée par laquelle un mélange gazeux combustible est introduit à l'intérieur du brûleur; le dispositif de stabilisation consiste en une grille (4a) apte à être positionnée dans l'ouverture d'entrée du brûleur, comportant un anneau central (5a) entouré d'une série de pales dèflectrices (6), cette grille étant ainsi conformée qu'elle autorise le libre passage de la partie centrale du flux de mélange gazeux pénétrant dans le brûleur à travers l'anneau central (5a), tandis que lesdites pales déflectrices (6) génèrent un mouvement tourbillonnaire de la partie périphérique de ce flux pénétrant dans le brûleur par l'extérieur de l'anneau central (5a).

Description

Dispositif et procédé pour stabiliser la pression et le débit d'un mélange gazeux alimentant un brûleur cylindrique à combustion de surface
La présente invention concerne l'alimentation en mélange gazeux combustible, par exemple en mélange air/gaz naturel, air/propane, air/butane, air/biogaz, ou air/fuel vaporisé, d'un brûleur cylindrique à combustion de surface.
Elle a plus précisément pour objet un dispositif stabilisateur de pression et de débit pour un tel brûleur à gaz, un brûleur à gaz équipé de ce dispositif stabilisateur, ainsi qu'un procédé pour stabiliser la pression et le débit du mélange gazeux alimentant le brûleur.
Un brûleur cylindrique à gaz à combustion de surface comporte une paroi cylindrique perforée, percée d'une multitude de petits orifices, une paroi de fond discoïde et une ouverture d'entrée, par laquelle un mélange gazeux combustible préalablement constitué (pré-mélange) est introduit à l'intérieur du brûleur, par exemple au moyen d'un ventilateur ou d'une turbine.
Habituellement, la paroi cylindrique est une tôle en acier inoxydable perforée, les orifices étant des trous circulaires et/ou des fentes de très petite section.
L'invention s'applique aussi, cependant, à des parois en forme de grille ou sous forme de couche de matériau poreux résistant à des températures élevées (par exemple en fibres tissées en matériau réfractaire).
Le gaz combustible se répartit à l'intérieur du brûleur et s'échappe radialement par les orifices de la paroi cylindrique ; le brûleur étant allumé, la face externe de la paroi fait office de surface de combustion, chaque orifice générant une flamme radiale de hauteur plus ou moins grande, fonction de l'aire de sa section et du débit gazeux.
Ce genre de brûleur est notamment adapté pour équiper une chaudière, à usage domestique ou industriel, pourvu d'un ou de plusieurs tubes (de section circulaire ou autre) entourant la surface de combustion.
Un ou plusieurs fluides à réchauffer circule dans ce(s) tube(s) qui est (sont) léché(s) par les gaz brûlants issus de la surface de combustion.
Différentes configurations sont possibles, en particulier comprenant une nappe de tubes rectilignes parallèles aux génératrices du brûleur (voir par exemple le document FR- A-2 476 808), ou comprenant un ou plusieurs faisceaux de tubes enroulés en hélice (voir par exemple les documents WO 94/16272, Figure
18, ou EP-A-l 813 882). L'invention se rapporte plus particulièrement à la stabilisation de la pression et du débit du mélange gazeux à l'intérieur du brûleur, de manière à obtenir une combustion complète et répartie de manière homogène sur toute la surface de combustion cylindrique du brûleur, avec une hauteur de flamme uniforme, ce qui permet d'obtenir un rendement optimal tout en réduisant les émissions de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2).
La qualité et l'hygiène de la combustion de surface obtenues par ce type de brûleur dépendent de plusieurs paramètres, en particulier de la dimension (section de passage) des orifices pratiqués dans la paroi cylindrique, et de leur écartement mutuel (taux d'ajourage de la paroi perforée).
Selon la longueur et le diamètre du cylindrique, il est difficile d'assurer un débit régulier de gaz sur toute la longueur du brûleur.
Or, l'uniformité du débit de gaz sur l'ensemble de la surface de combustion conditionne la hauteur de combustion et sa régularité sur l'ensemble de cette surface, dont dépend l'émission de CO et de CO2.
Dans le but d'améliorer cette uniformité, il a déjà été proposé de doubler la paroi cylindrique en dotant intérieurement le brûleur d'une enveloppe également cylindrique (seconde paroi), également perforée, de diamètre légèrement inférieur à celui de la paroi qui fait office de surface de combustion, ces deux parois étant coaxiales. Cet agencement a pour effet d'augmenter le niveau de pression nécessaire à l'échappement du mélange gazeux, celui-ci devant, dans un premier temps, traverser les orifices de l'enveloppe interne pour venir occuper l'espace annulaire situé entre les deux parois, puis les orifices de la paroi externe qui fait office de surface de combustion. Ainsi les orifices de combustion sont alimentés à une pression relativement régulière sur toute la surface de la paroi externe.
Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante dans la mesure où l'uniformité obtenue n'est pas parfaite et du fait que l'adjonction de l'enveloppe interne accroît sensiblement le poids et le prix de revient du brûleur. De plus la présence de l'enveloppe interne induit une perte de charge importante du flux gazeux circulant dans le brûleur.
La bonne répartition du pré-mélange gazeux à l'intérieur du brûleur est grandement liée à l'écoulement du flux de gaz juste avant son entrée dans le brûleur, ainsi que nous allons l'expliquer maintenant en nous référant aux figures 1 à 3. Sur ces figures, on a représenté un brûleur à gaz 1 à combustion de surface de type traditionnel, comprenant une paroi perforée cylindrique 2, d'axe X- X' (par exemple horizontal), traversée par une multitude de petits orifices 20, un fond discoïde étanche 3, et une ouverture d'entrée circulaire 10, par laquelle un mélange gazeux combustible est introduit à l'intérieur du brûleur 1.
Il s'agit d'un mélange préalablement effectué d'un carburant avec un comburant, notamment d'un gaz de pétrole liquéfié, d'un gaz naturel, d'un biogaz
(issu d'une fermentation), voire de fioul vaporisé, mélangé à de l'air ou à de l'oxygène, dans une proportion adéquate apte à assurer une combustion correcte et complète.
De manière bien connue, ce pré-mélange combustible, désigné G, est fourni au brûleur au moyen d'un ventilateur V.
La surface de combustion est constituée par la face externe de la paroi 2, sur laquelle se forment les flammes, référencées F.
La combustion est généralement initiée par un allumeur (non représenté) situé à proximité de cette surface. Pour améliorer la répartition de la pression à l'intérieur du brûleur 1 et, corrélativement, la qualité de la combustion, il est connu d'intercaler une manchette entre la sortie du ventilateur V et l'entrée 10 du brûleur.
Dans la configuration illustrée sur la figure 1, l'embouchure de sortie du ventilateur est circulaire et est de même diamètre que l'entrée 10 du brûleur. La manchette M utilisée est cylindrique ayant également ce diamètre, et l'ensemble est monté coaxialement selon X-X'.
Ainsi le flux gazeux, symbolisé par les flèches f est régulier, et le brûleur 1 est alimenté de manière homogène, ce qui permet d'obtenir une bonne répartition des pressions et des débits dans le brûleur, se traduisant par une hauteur de flamme h relativement constante sur toute la surface de combustion.
Sur de nombreux modèles de chaudière, il n'est pas possible, notamment pour raison d'encombrement, de placer le ventilateur dans l'axe du brûleur.
C'est le cas pour la configuration représentée sur la figure 2, dans laquelle l'axe du ventilateur est décalé par rapport à ce dernier. La manchette de liaison M' a ici des portions d'extrémité coudées à angle droit, de sorte que le flux de gaz P pénétrant dans le brûleur a une trajectoire déviée et perturbée, engendrant une hauteur de flamme F' irrégulière.
Dans la configuration représentée sur la figure 3, la manchette de liaison M" est pourvue d'un clapet de sécurité comprenant un volet A, articulé en partie supérieure, dont la fonction est d'empêcher des retours de gaz brûlés du brûleur vers le ventilateur, lorsque celui-ci est à l'arrêt. Ceci est utile en particulier lorsque plusieurs appareils sont reliés à une même cheminée.
Le clapet est fermé lorsque le volet, sous l'effet de son propre poids, se trouve dans la position verticale Ao représentée en traits interrompus sur la figure.
Son angle d'ouverture est automatiquement fonction du régime de fonctionnement, le flux de gaz fourni par le ventilateur contrecarrant le poids du volet A de manière plus ou moins importante suivant le débit.
Le flux f" passant sous le volet pour entrer ensuite dans le brûleur est ici également dévié (en biais) et perturbé, engendrant une hauteur de flamme F" irrégulière.
Il est délicat dans de nombreuses configurations et modes de fonctionnement des chaudières, notamment avec des régimes de fonctionnement à débit variable permettant une modulation de puissance, d'obtenir une répartition homogène des hauteurs de flamme sur la surface de combustion.
La difficulté se trouve encore accrue en cas de positionnement déporté du ventilateur par rapport au brûleur (figure 2) ou de présence d'un clapet à l'entrée du brûleur (figure 3).
L'invention a pour objectif de résoudre ces problèmes, en proposant un dispositif stabilisateur de pression et de débit de conception simple, sans pièces en mouvement, léger et peu coûteux, n'induisant pratiquement pas de perte de charge, adapté pour être placé à l'entrée du brûleur afin d'améliorer notablement la répartition du mélange gazeux à l'intérieur du brûleur et d'assurer ainsi une alimentation homogène de l'ensemble des orifices de la surface de combustion, en générant une hauteur de flamme constante sur toute cette surface.
Comme déjà dit, ce dispositif stabilisateur de pression et de débit est destiné à équiper un brûleur à gaz comportant une paroi cylindrique perforée faisant office de surface de combustion, une paroi de fond et une ouverture d'entrée, par laquelle un mélange gazeux combustible est introduit à l'intérieur du brûleur. Conformément à l'invention, le dispositif consiste en une grille adaptée pour être positionnée à l'intérieur de ladite ouverture d'entrée, et comportant un anneau central entouré d'une série de pales déflectrices, cette grille étant ainsi conformée qu'elle autorise le libre passage de la partie centrale du flux de mélange gazeux pénétrant dans le brûleur à travers l'anneau central, tandis que lesdites pales déflectrices génèrent un mouvement tourbillonnaire de la partie périphérique de ce flux pénétrant dans le brûleur par l'extérieur de l'anneau central. Ainsi, le brûleur est alimenté simultanément par deux flux gazeux de configurations différentes, à savoir un tourbillon cyclonique extérieur qui se déplace en suivant un parcours approximativement hélicoïdal vers la paroi de fond du brûleur, et un flux central non perturbé, ou peu perturbé, qui se déplace également vers le fond du brûleur tout en se détendant à l'intérieur du cyclone.
De manière assez surprenante, un tel agencement assure une pression régulière sur toute la surface du brûleur, aussi bien suivant sa circonférence que suivant sa longueur.
Le document de brevet EP-I 538 395 a pour objet un brûleur à gaz cylindrique muni intérieurement d'un dispositif destiné à réduire les phénomènes de résonance acoustique et, corrélativement, les bruits du brûleur.
Ce dispositif comprend des cloisons parallèles ou "en croix", qui empêchent tout mouvement tourbillonnaire du mélange gazeux alimentant le brûleur, ce qui contrarie l'homogénéisation et la bonne répartition de ce mélange, contrairement à l'objectif recherché.
Le modèle d'utilité allemand DE 9013114 U, quant à lui, décrit un disque destiné à équiper un brûleur à fioul ou à gaz. Ce disque est pourvu d'une ouverture centrale traversée par le combustible (carburant) et par une première partie de l'air (comburant), ainsi qu'une série de fentes radiales qui sont traversées par l'autre partie de l'air nécessaire à la combustion. Ce document ne précise pas à quelle forme de brûleur ce disque est associé, ni a fortiori, que le disque est positionné à l'intérieur de l'ouverture d'entrée de ce brûleur.
Sa fonction n'est pas d'améliorer la répartition d'un prémélange gazeux, déjà constitué, à l'intérieur du brûleur mais plutôt de parfaire ce prémélange à partir de deux flux de nature différente, à savoir un flux central formé de carburant et d'air et un flux périphérique formé seulement d'air.
Il n'est pas exclu que ledit mélange alimente le brûleur par l'intermédiaire d'une manchette doublement coudée telle que celle désignée M1 sur la figure 2, ou d'une manchette pourvue d'un clapet de sécurité telle que celle désignée M" sur la figure 3 de la présente demande de brevet, avec les inconvénients qui en résultent comme cela est exposé ci-dessus.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses possibles, mais non limitatives, de l'invention :
- l'anneau central est circulaire, et est coaxial à la paroi cylindrique perforée (lorsque le dispositif est monté sur le brûleur) ; - lesdites pales s'étendent radialement par rapport à l'axe de la paroi cylindrique perforée (lorsque le dispositif est monté sur le brûleur), avec une répartition angulaire régulière ;
- le nombre de pales est compris entre 6 et 30, et avantageusement entre 11 et 25 ;
- lesdites pales sont des lamelles planes, toutes identiques et de largeur constante, qui sont inclinées suivant la direction longitudinale, leur plan formant un angle aigu par rapport à l'axe de la paroi cylindrique perforé ;
- ledit angle a une valeur comprise entre 15 et 45 °, de préférence de l'ordre de 30° ;
- lesdites pales sont solidaires de l'anneau central ;
- ladite grille comprend un anneau extérieur circulaire, dont les pales sont solidaires, apte à être emmanché et immobilisé dans l'ouverture d'entrée du brûleur ; - l'anneau central est un manchon dont la longueur est sensiblement égale à la dimension axiale des pales (solution adaptée à un brûleur de faible à moyenne longueur) ;
- l'anneau central est un manchon dont la longueur est supérieure à la dimension axiale des pales (solution adaptée à un brûleur de grande longueur). L'invention a également pour objet un brûleur cylindrique à combustion de surface équipé d'un dispositif stabilisateur de pression tel que décrit ci-dessus.
Enfin, elle a aussi pour objet un procédé pour stabiliser la pression et le débit d'un mélange gazeux combustible alimentant un brûleur à gaz, celui-ci comportant une ouverture d'entrée, une paroi cylindrique perforée faisant office de surface de combustion, et une paroi de fond, ce procédé consistant à diviser le mélange gazeux pénétrant dans le brûleur en deux flux distincts, à savoir un flux central à écoulement non perturbé, ou peu perturbé, sensiblement laminaire, apte à atteindre ladite paroi de fond tout en s'évasant progressivement, et un flux tourbillonnaire à trajectoire approximativement hélicoïdale entourant le flux central. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 4 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation possible du dispositif stabilisateur de l'invention ; - la figure 5 est une vue de face, à plus grande échelle, du dispositif de la figure 4 ;
- la figure 6 est une vue de côté, en coupe, du même dispositif, le plan de coupe étant référencé VI -VI sur la figure 5 ; - les figures 7 et 8 représentent un deuxième mode de réalisation possible du dispositif stabilisateur de l'invention, ces vues étant similaires, respectivement, aux figures 4 et 6 du premier mode de réalisation ;
- la figure 9 représente un troisième mode de réalisation possible du dispositif stabilisateur de l'invention, cette vue étant similaire à la figure 4 du premier mode de réalisation ;
- la figure 10 est une coupe axiale d'un brûleur pourvu d'un dispositif stabilisateur conforme au premier mode de réalisation ;
- la figure 11 est une vue analogue à la figure 10, destinée à illustrer le fonctionnement du dispositif en montrant comment se fait la répartition des flux gazeux à l'intérieur du brûleur ;
- la figure 12 est une vue en perspective, et en coupe, similaire à la figure 11 ;
- la figure 13 est une vue analogue à la figure 11, mais avec un brûleur de plus grande longueur, pourvu d'un dispositif stabilisateur conforme au second mode de réalisation.
Le dispositif représenté sur les figures 4 à 6 consiste en une grille, par exemple en tôle d'acier inoxydable de faible épaisseur.
Cette grille 4a est composée d'une paire d'anneaux concentriques, l'un central 5a, l'autre externe 7, en forme de manchons cylindriques de faible longueur, d'axe commun X-X', ainsi que d'une série de pales 6.
Celles-ci s'étendent radialement par rapport à l'axe X-X' avec une répartition angulaire régulière.
Dans l'exemple illustré, la grille comporte 12 pales, réparties à 30° tout autour de l'anneau central. Elles sont fixées à leurs extrémités, par exemple par soudure, à chacun des deux manchons 5 a et 7.
Comme on peut l'observer sur la figure 6, les deux manchons et les pales sont de faible épaisseur et leur dimension axiale e est identique.
Le diamètre extérieur de l'anneau 7 est choisi pour correspondre au diamètre intérieur de la paroi cylindrique du brûleur à équiper, de sorte que la grille puisse être insérée et maintenue sans jeu dans l'ouverture d'entrée du brûleur, coaxialement à celui-ci.
Ces pales 6, toutes identiques, sont des lamelles planes de largeur constante. Elles sont inclinées suivant la direction longitudinale, de façon à former un angle aigu, désigné α sur la figure 6, par rapport à l'axe X-X'. A titre indicatif, cet angle a une valeur de l'ordre de 30°.
L'anneau central 5a définit un canal cylindrique 8, d'axe X-X', autorisant le libre passage des gaz. Les espaces entre pales 6 définissent une voie de passage périphérique annulaire 9 pour les gaz.
Le dispositif faisant l'objet du deuxième mode de réalisation représenté sur les figures 7 et 8 consiste en une grille 4b qui se différencie de la grille 4a qui vient d'être décrite uniquement par le fait que la longueur i de son manchon central, référencé 5b, est notablement plus grande que la dimension axiale e commune aux pales 6 et à l'anneau externe 7. Comme on le verra plus loin, en référence à la figure 13, la portion de ce manchon 5b qui dépasse du plan général de la grille est destinée à pénétrer à l'intérieur du brûleur.
Le dispositif faisant l'objet du troisième mode de réalisation représenté sur la figure 9 consiste en une grille 4c qui se différencie de la grille 4a par le fait qu'elle ne comporte pas d'anneau externe.
Les pales 6 sont destinées à venir se positionner et s'appliquer directement contre la face interne cylindrique de l'ouverture d'entrée du brûleur.
Ces pales ont donc une longueur telle que leur chant externe s'inscrit dans une enveloppe (fictive) cylindrique dont le diamètre correspond à celui de cette face interne.
On notera par ailleurs que le nombre de pales 6 est le double de celui des dispositifs précédents, puisqu'il est de 24, réparties à 15° d'angle par conséquent. Le brûleur la représenté sur la figure 10 est de même type que celui décrit précédemment en référence aux figures 1 à 3.
Un dispositif stabilisateur 4b conforme au premier mode de réalisation ci-dessus décrit est emmanché axialement dans l'ouverture d'entrée 10 du brûleur et y est retenu, par exemple sous l'effet du simple frottement dû à un certain serrage entre la face externe de l'anneau 7 et la face interne de l'embouchure de la paroi cylindrique 2. Avantageusement l'anneau 10 est muni d'une collerette 70 formant butée d'arrêt, qui limite son enfoncement à l'intérieur du corps de brûleur.
Les figures 11 et 12 illustrent le mode d'action du dispositif.
Le flux de gaz G refoulé par le ventilateur et arrivant à l'entrée du brûleur la doit traverser la grille du stabilisateur 4a.
Il se trouve alors subdivisé en deux parties de flux distinctes, à savoir une partie centrale qui traverse le canal 8 délimité par l'anneau central 5a, et une partie extérieure qui traverse l'espace 9 formé situé entre les pales 6.
Sur la figure 11, la ligne en traits interrompus représente l'enveloppe fictive Ea qui sépare ces deux parties.
Le flux central, symbolisé par les flèches X, est un flux régulier, voire laminaire, à trajectoire globalement en translation suivant X-X', en direction du fond 3. Cependant, la masse gazeuse a tendance à s'évaser, en forme de cône, puis « en trompette », comme le montre le contour de l'enveloppe Ea. Le flux externe, symbolisé par les flèches Y, suit une trajectoire tourbillonnaire, en hélice, à vitesse élevée, autour du flux central, cette trajectoire combinant un mouvement de translation axiale et un mouvement de rotation (vrillage) qui lui est imprimé par l'inclinaison des pales déflectrices 6.
Le flux externe entoure le flux central sur quasiment toute sa longueur (côté amont).
De manière relativement surprenante, la combinaison de ces deux flux assure une distribution régulière du débit et de la pression du gaz à l'intérieur du brûleur, sur toute sa longueur et sur toute sa périphérie (sur 360°).
En pratique, il apparaît que les orifices de combustion 20 de la portion amont du brûleur (du côté de l'ouverture d'entrée 10) sont essentiellement alimentés par du gaz fourni par le flux externe tourbillonnaire tandis qu'au contraire les orifices de combustion de la portion d'extrémité aval du brûleur (proche du fond
3) sont essentiellement alimentés par du gaz fourni par le flux central non perturbé.
Au fur et à mesure qu'on se déplace de l'amont vers l'aval, la quantité de gaz issue du flux externe diminue, tandis que celle issue du flux central croît, la somme des deux quantités demeurant sensiblement constante. Le mouvement cyclonique interne au brûleur favorise en outre une bonne répartition des débits et de la pression, de sorte qu'au final on obtient une hauteur de flammes F de hauteur constante sur toute la surface de combustion. Ce résultat remarquable est obtenu même lorsque le flux gazeux qui arrive au brûleur est dévié et/ou incliné, notamment par suite de la présence en amont de celui-ci d'une manchette coudée du genre représenté sur la figure 2, d'un clapet du genre représenté sur la figure 3, ou d'une vanne de réglage du débit fourni au brûleur.
La perte de charge résultant de la présence du dispositif à l'entrée du brûleur est négligeable.
Les dimensions du dispositif stabilisateur doivent naturellement être adaptées à la structure et aux dimensions du brûleur.
A titre indicatif, le brûleur la qui vient d'être décrit a une paroi perforée 2 en tôle d'acier inoxydable dont l'épaisseur est de 0,3 mm. Le taux d'ajourage de la paroi (rapport de l'aire des perforations et de l'aire totale de la paroi perforée) est de l'ordre de 30 %.
Sa longueur et son diamètre interne, respectivement désignés La et Da sur la figure 10, sont respectivement de 160 mm et de 70 mm.
Le dispositif stabilisateur 4a peut être également réalisé dans une tôle fine d'acier inoxydable.
L'anneau externe 7 a un diamètre de 70 mm avec une tolérance fonctionnelle permettant de l'emboîter sans jeu, voire avec un certain serrage, dans l'ouverture d'entrée du brûleur.
L'anneau central 5a a un diamètre de 24 mm. La dimension axiale e du dispositif est de 10 mm.
Le brûleur Ib représenté sur la figure 13 est similaire au brûleur la à l'exception de sa longueur Lb qui est plus grande. A titre indicatif, Lb = 240 mm Son diamètre Db = 70 mm. Comme déjà dit, le dispositif stabilisateur 4b, quant à lui, est identique au dispositif 4a, à l'exception du manchon constituant l'anneau central 5b, dont la longueur i est sensiblement supérieure à e.
A titre indicatif, i = 25 mm (tandis que e = 10 mm). Comme on le voit sur la figure 13, ce manchon 5b a pour effet de canaliser le flux central pour qu'il diverge moins rapidement que le flux central du premier mode de réalisation, afin qu'il puisse atteindre la paroi de fond 3, plus éloigné de l'ouverture que précédemment.
L'enveloppe Eb qui sépare le flux central du flux cyclonique extérieur s'évase plus progressivement vers l'aval, à l'intérieur du brûleur Ib, que l'enveloppe Ea à l'intérieur du brûleur la. Le mode de fonctionnement des deux stabilisateurs est cependant similaire, et engendre une répartition homogène du débit et de la pression de gaz, avec pour résultat une hauteur de flamme régulière et une hygiène de combustion optimale. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'ouverture d'entrée
10 du brûleur est circulaire et son diamètre est le même que celui de la paroi perforée cylindrique.
Ces caractéristiques ne sont nullement obligatoires.
En outre, le dispositif stabilisateur pourrait être conformé de manière à venir coiffer (par l'extérieur) l'embouchure d'entrée du brûleur au lieu de s'y emmancher à l'intérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif stabilisateur de pression et de débit pour brûleur à gaz, celui-ci comportant une paroi cylindrique perforée (2) faisant office de surface de combustion, une paroi de fond (3) et une ouverture d'entrée (10), par laquelle un mélange gazeux combustible est introduit à l'intérieur du brûleur (1), caractérisé en ce qu'il consiste en une grille (4a ; 4b ; 4c) adaptée pour être positionnée à l'intérieur de ladite ouverture d'entrée (10), et comportant un anneau central (5a ; 5b) entouré d'une série de pales déflectrices (6), cette grille étant ainsi conformée qu'elle autorise le libre passage de la partie centrale du flux de mélange gazeux pénétrant dans le brûleur à travers l'anneau central (5a ; 5b), tandis que lesdites pales déflectrices (6) génèrent un mouvement tourbillonnaire de la partie périphérique de ce flux pénétrant dans le brûleur (1) par l'extérieur de l'anneau central (5 a ; 5b).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'anneau central (5a ; 5b) est circulaire, et coaxial à la paroi cylindrique perforée (2).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites pales (6) s'étendent radialement par rapport à l'axe (X-X') de la paroi cylindrique perforée (2), avec une répartition angulaire régulière.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le nombre de pales (6) est compris entre 6 et 30, et avantageusement entre 11 et 25.
5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdites pales (6) sont des lamelles planes, toutes identiques et de largeur constante, qui sont inclinées suivant la direction longitudinale, leur plan formant un angle aigu (α) par rapport à l'axe (X-X') de la paroi cylindrique perforée (2).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit angle (α) a une valeur comprise entre 15 et 45 °, de préférence de l'ordre de 30°.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que lesdites pales (6) sont solidaires de l'anneau central (5a ; 5b).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ladite grille (4a ; 4b) comprend un anneau extérieur circulaire (7), dont les pales (6) sont solidaires, apte à être emmanché et immobilisé dans l'ouverture d'entrée (10) du brûleur (1).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'anneau central (5a) est un manchon dont la longueur est sensiblement égale à la dimension axiale (e) des pales (6).
10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'anneau central (5a) est un manchon dont la longueur (i) est supérieure à la dimension axiale (e) des pales (6).
11. Brûleur cylindrique à combustion de surface équipé d'un dispositif stabilisateur de pression et de débit conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Procédé pour stabiliser la pression et le débit d'un mélange gazeux combustible alimentant un brûleur à gaz à combustion de surface, celui-ci comportant une ouverture d'entrée (10), une paroi cylindrique perforée (2) faisant office de surface de combustion, et une paroi de fond (3), selon lequel on divise le mélange gazeux pénétrant dans le brûleur en deux flux distincts, à savoir un flux central à écoulement non perturbé, ou peu perturbé, sensiblement laminaire, apte à atteindre ladite paroi de fond (3) tout en s'évasant progressivement, et un flux tourbillonnaire à trajectoire approximativement hélicoïdale entourant le flux central.
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