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Title:
GAS BURNER COMPRISING A TWO-PART COMBUSTION SURFACE AND A BOILER EQUIPPED WITH ONE SUCH BURNER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/062705
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a gas burner in the form of a case (1) that defines a chamber (E) which receives the air/gas mixture (A+G) to be burnt and which houses a perforated distribution partition (3) through which said mixture passes. According to the invention, one part of the wall of said case forms the combustion surface (FC). The external face of the combustion surface comprises a layer (6) of flexible, porous, thermally-insulating material, said layer being provided with numerous perforations (60) which are evenly distributed and which are used for the discharge and combustion of the air/gas mixture (A+G) once it has passed through the distribution partition (3). The inventive burner is characterised in that the internal face of said combustion surface (FC) comprises a perforated support plate (5) which supports the aforementioned layer (6). The holes (50) in said plate are (i) disposed opposite a perforation (60) in the layer (6) and (ii) provided with dimensions greater than those of said perforations (60). The invention also relates to a boiler which is equipped with one such burner.

Inventors:
Le Mer, Joseph (Ty Nod, Morlaix, F-29600, FR)
Application Number:
PCT/FR2003/000187
Publication Date:
July 31, 2003
Filing Date:
January 21, 2003
Export Citation:
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Assignee:
SOCIETE D'ETUDE ET DE REALISATION MECANIQUES ENGENEERING EN TECHNOLOGIES AVANCEES (Zone de l'Aéroport de Morlaix, Morlaix, F-29600, FR)
Le Mer, Joseph (Ty Nod, Morlaix, F-29600, FR)
International Classes:
F23D14/02; F23D14/14; F23D14/58; G01S3/06; G01S3/781; H02G15/068; (IPC1-7): F23D14/02; F23D14/58
Domestic Patent References:
1993-09-16
Foreign References:
US4657506A1987-04-14
GB2292794A1996-03-06
US6129545A2000-10-10
DE4433184C11996-03-07
EP0809071A11997-11-26
GB2316479A1998-02-25
DE1955163A11971-05-13
EP0245084A11987-11-11
Attorney, Agent or Firm:
Cabinet, Regimbeau (Espace Performance, Baitment K, Saint Gregoire Cedex, F-35769, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Brûleur à gaz, qui a la forme d'un boîtier (1) délimitant une enceinte (E) dans laquelle est reçu le mélange air/gaz (A+G) à brûler et qui renferme une cloison perforée (3) dite"de répartition"traversée par ledit mélange, une partie de la paroi dudit boîtier formant face de combustion (FC) comprenant, du côté extérieur, une nappe (6) en matériau souple, poreux et isolant thermique, traversée d'une pluralité de perforations (60), réparties de manière homogène et prévues pour assurer l'échappement et la combustion dudit mélange air/gaz (A+G) après que celuici ait traversé ladite paroi de répartition (3), caractérisé par le fait que ladite face de combustion (FC) comprend également, du côté intérieur, une plaque de support perforée (5) sur laquelle ladite nappe (6) est en appui, dont les ouvertures (50) sont, d'une part, chacune disposées en regard d'une perforation (60) de ladite nappe (6) et, d'autre part, de dimensions supérieures à celles desdites perforations (60).
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite nappe (6) est constituée de fibres de céramique enrobées de carbure de silicium ou d'oxyde d'alumine.
3. Brûleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les perforations (60) de la nappe (6) et les ouvertures (50) de la plaque (5) sont circulaires et centrées les unes par rapport aux autres.
4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les perforations (60) de la nappe (6) présentent un diamètre de l'ordre de 1,5 millimètres, tandis que les ouvertures (50) de la plaque (5) présentent un diamètre de l'ordre de 2,4 millimètres.
5. Brûleur selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé par le fait que la plaque de support (5) présente une faible épaisseur, par exemple comprise entre environ 0,3 et environ 0,8 millimètres.
6. Brûleur selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que les perforations (60) de la nappe (6) et les ouvertures (50) de la plaque (5) sont réparties de manière régulière, notamment selon des motifs en forme de triangles isocèles.
7. Brûleur selon l'une des revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que le boîtier (1) s'inscrit sensiblement dans un cylindre dont la hauteur est nettement inférieure à son diamètre, ladite nappe (6) correspondant à une des grandes faces du cylindre, tandis que la seconde grande face (10) présente une ouverture (101) d'accès du mélange air/gaz (A+G).
8. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que ladite plaque de support (5) est légèrement galbée, sa concavité étant tournée vers l'intérieur du boîtier (1).
9. Brûleur selon l'une des revendications 1 et 6, caractérisé par le fait que le boîtier (1) s'inscrit sensiblement dans un cylindre dont la hauteur est nettement supérieure à son diamètre, ladite nappe (6) matérialisant au moins une partie de sa surface de révolution, et que l'une (12) de ses grandes faces est fermée, tandis que la seconde (10) présente une ouverture (101) d'accès du mélange air/gaz (A+G).
10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite paroi de répartition (3) est cylindrique, coaxiale au boîtier, l'arrivée du mélange air/gaz étant dirigée axialement.
11. Chaudière à gaz équipée d'au moins un brûleur selon l'une des revendications 1 à 10.
Description:
BRULEUR A GAZ, A FACE DE COMBUSTION BIPARTITE ET CHAUDIERE EQUIPEE DUN TEL BRULEUR La présente invention se rapporte à un brûleur à gaz et à une chaudière équipée d'un brûleur.

De nombreux types de brûleurs sont connus, qui permettent d'assurer la combustion d'un gaz, pour des usages domestiques ou industriels.

Des brûleurs couramment utilisés ont la forme d'un boîtier qui délimite une enceinte dans laquelle est reçu le mélange air/gaz à brûler. Une partie de la paroi du boîtier constitue une face de combustion à travers laquelle le mélange air/gaz s'échappe tout en étant brûlé.

Selon leur type de conception, ces brûleurs permettent d'assurer la combustion du gaz, ceci avec un rendement plus ou moins bon, et dans une plage de puissance pouvant varier de 1 à 3 environ. Le niveau sonore de tels brûleurs est parfois élevé et dépend notamment de la richesse du mélange air/gaz.

On a proposé d'autres types de brûleurs qui ont également la forme d'un boîtier délimitant une enceinte mais, avec une partie de la paroi du boîtier formant face de combustion constituée d'une nappe en matériau souple poreux et isolant thermique, traversée d'une pluralité de perforations.

Une telle nappe est par exemple constituée de fibres céramiques ou métalliques enrobées de carbure de silicium ou d'oxyde d'alumine.

Avec un tel brûleur, une grande partie du mélange air/gaz s'échappe au travers des perforations de la nappe, ce qui se traduit par des flammes de bonne taille. Par ailleurs, du fait du caractère poreux de la nappe, la partie restante du flux traverse le réseau aléatoire de fibres et s'échappe à l'extérieur tout en étant brûlée, sous la forme de flammes de taille réduite entourant les flammes principales.

En quelque sorte, les petites flammes accrochent les grandes à la face de combustion, et le phénomène dit de"rentrée de flammes" (risque de voir la flamme descendre sous la face de combustion), est évité par l'isolation des fibres qui procurent une basse température sur la face interne de la nappe.

Ce genre de brûleur permet d'assurer une excellente combustion du mélange air/gaz, avec une plage de puissance pouvant varier d'environ un à environ trente. Par ailleurs, un tel brûleur présente un niveau sonore relativement faible.

La nappe de matériau souple telle que citée plus haut est en principe prévue pour tre auto-portante, ce qui signifie qu'elle est normalement apte à se supporter elle-mme, sans déformation sous l'effet de son propre poids. Elle a

simplement besoin d'tre tenue en périphérie pour faire corps avec le boîtier du brûleur.

Hors, dans la pratique, il apparaît que ce matériau en forme de nappe résiste très mal aux chocs et se déforme relativement facilement. Il peut donc se rencontrer des situations dans lesquelles la nappe est déjà abîmée au cours de son montage dans le brûleur, par exemple suite à une erreur de manipulation. Ceci n'est bien entendu pas acceptable techniquement et esthétiquement.

De plus, on rencontre également des problèmes de déformation de cette nappe lorsque la pression du mélange air/gaz dans le brûleur est élevée.

Un tel phénomène arrive aussi en cas de forte surpression provoquée par un mauvais fonctionnement ou un allumage brusque du brûleur par exemple dû à des électrodes ou à un système d'allumage défectueux.

On décrit dans le document US-A-4,657, 506 un brûleur à gaz comportant un manchon tubulaire percé d'une multitude d'ouvertures radiales. Sa face externe porte une nappe de métal tissé poreux. Dans ce manchon est monté un tube coaxial, plus court, de plus petit diamètre, également percé d'ouvertures radiales. Le tube fait office de paroi de répartition, tandis que le manchon et le tissu constituent une face de combustion.

Le document GB-A-2 292 794 se rapporte à un brûleur à gaz dont l'émission sonore, due à la combustion, est réduite.

Le corps du brûleur a une paroi à double structure, à savoir une paroi externe perforée et une paroi interne également perforée. Celles-ci sont séparées l'une de l'autre d'un intervalle compris entre 0,5 et 1,2 mm.

La densité d'ouvertures de la paroi externe est supérieure à celle de la paroi interne.

Dans l'exemple des figures 4 et 5, les ouvertures de la paroi externe sont réparties en des motifs constituant en une ouverture centrale entourée d'ouvertures périphériques équidistantes.

Selon ce document, les ouvertures de la paroi interne sont placées en regard des ouvertures centrales.

Compte tenu de cet état de la technique, il existe encore un besoin de fournir un brûleur à gaz du type décrit plus haut, dont la nappe de matériau souple poreux et isolant n'est pas ou pratiquement pas sujette à des déformations dues à des chocs extérieurs ou à des problèmes de fonctionnement du brûleur.

La présente invention a également pour but d'atteindre l'objectif précité, sans remettre en cause la structure générale des brûleurs existants.

L'invention concerne donc un brûleur à gaz qui a la forme d'un boîtier délimitant une enceinte dans laquelle est reçu le mélange air/gaz à brûler et qui renferme une cloison perforée dite"de répartition"traversée par ledit mélange, une partie de la paroi dudit boîtier formant face de combustion comprenant, du côté extérieur, une nappe en matériau souple, poreux et isolant thermique, traversée d'une pluralité de perforations, réparties de manière homogène et prévues pour assurer l'échappement et la combustion dudit mélange air/gaz après que celui-ci ait traversé ladite paroi de répartition.

Ce brûleur à gaz est remarquable par le fait que ladite phase de combustion comprend également, du côté intérieur, une plaque de support perforée sur laquelle ladite nappe est en appui, dont les ouvertures sont, d'une part, chacune disposées en regard d'une perforation de ladite nappe et, d'autre part, de dimensions supérieures à celles desdites perforations.

En étant ainsi supportée par une plaque perforée, la nappe en matériau souple voit sa rigidité augmenter, ce qui améliore très notablement sa tenue en cas de choc ou de surpression.

Par ailleurs, du fait que les ouvertures de cette plaque ont des dimensions supérieures à celles des perforations de la nappe, on va pouvoir conserver les deux"familles"de flammes qui sont caractéristiques des brûleurs selon l'état de la technique tel que décrit plus haut.

Les avantagés de ces brûleurs connus sont donc conservés et leurs inconvénients éliminés.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce brûleur : - ladite nappe est constituée de fibres de céramique enrobées de carbure de silicium ou d'oxyde d'alumine ; - les perforations de la nappe et les ouvertures de la plaque sont circulaires et centrées les unes par rapport aux autres ; - les perforations de la nappe présentent un diamètre de l'ordre de 1,5 millimètres, tandis que les ouvertures de la plaque présentent un diamètre de l'ordre de 2,4 millimètres ; - la plaque de support présente une faible épaisseur, par exemple comprise entre environ 0,3 et environ 0, 8 millimètres ; - les perforations de la nappe et les ouvertures de la plaque sont réparties de manière régulière, notamment selon des motifs en forme de triangles isocèles ;

- le boîtier s'inscrit sensiblement dans un cylindre dont la hauteur est nettement inférieure à son diamètre, ladite nappe correspondant à une des grandes faces du cylindre, tandis que la seconde grande face présente une ouverture d'accès du mélange air/gaz ; - ladite plaque de support est légèrement galbée, sa concavité étant tournée vers l'intérieur du boîtier ; - le boîtier s'inscrit sensiblement dans un cylindre dont la hauteur est nettement supérieure à son diamètre, ladite nappe matérialisant au moins une partie de sa surface de révolution, et l'une de ses grandes faces est fermée, tandis que la seconde présente une ouverture d'accès du mélange air/gaz ; -ladite paroi de répartition est cylindrique, coaxiale au boîtier, l'arrivée du mélange air/gaz étant dirigée axialement.

L'invention se rapporte également à une chaudière à gaz équipée d'au moins un brûleur tel que décrit ci-dessus.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, de quelques exemples de réalisation. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe, selon un plan médian longitudinal, d'une première forme de réalisation du brûleur ; - la figure 2 est un schéma montrant en coupe une fraction de la face de combustion du brûleur, ce schéma étant destiné à expliquer les phénomènes de combustion qui s'y rencontre ; - la figure 3 est une vue de dessus partielle de ladite face de combustion ; -la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale et médiane, d'une autre forme de réalisation du brûleur.

Le brûleur représenté à la figure 1 a une structure généralement connue en soi.

Il a la forme d'un boîtier 1, en l'occurrence cylindrique, dont la hauteur est nettement inférieure au diamètre. A titre indicatif, ces hauteur et diamètre sont respectivement de l'ordre de 3 et 10 centimètres.

Le boîtier est constitué d'une virole 11 dont le rebord inférieur 111 est rabattu vers l'extérieur, tandis que son rebord supérieur 110 est rabattu vers l'intérieur.

Il comprend également une bride 10 qui correspond à l'une des grandes faces du cylindre que constitue le boîtier 1. Son rebord périphérique 102 est serti sur le rebord inférieur 11 de la virole.

La bride est ouverte axialement, l'ouverture correspondante 101 étant délimitée par une collerette cylindrique 100.

Le boîtier renferme une entretoise annulaire 2, par exemple d'une hauteur d'un centimètre, qui prend appui sur la face supérieure de la bride 10. Son diamètre extérieur est légèrement inférieur au diamètre intérieur de la virole 11. En d'autres termes, l'entretoise 2 est plaquée contre la virole. Elle peut tre constituée d'une bague ouverte et élastiquement déformable, le rapprochement de ses deux extrémités lui donnant une forme circulaire du diamètre souhaité.

Sur cette entretoise repose une cloison perforée 3, qui a la forme d'un disque peu épais. Son diamètre est égal, au jeu près, au diamètre intérieur de la virole 11.

Les ouvertures de cette cloison 3 sont référencées 30. Elles s'étendent axialement, c'est à dire parallèlement à l'axe longitudinal XX'du boîtier.

Sur cette cloison prend appui une seconde entretoise 4, qui présente les mmes caractéristiques que la précédente. Cependant, elle présente une hauteur inférieure, par exemple de l'ordre de 5 millimètres.

En tout état de cause, la hauteur de l'empilement entretoise 2/plaque 3/entretoise 4 est inférieure à la hauteur de la virole 11.

Toutes les pièces décrites plus haut sont métalliques, de préférence en acier inoxydable. Elles peuvent aussi tre en acier protégé, notamment bichromaté, ou en tôle avec revtement en aluminium.

La dernière partie du boîtier 1 constitue ce que l'on peut qualifier de face de combustion FC. Comme on le verra plus loin, c'est en effet au niveau de cette face que s'opère la combustion du mélange air/gaz admis dans le brûleur.

Cette face de combustion FC est bipartite.

Du côté intérieur du boîtier, elle est constituée d'une plaque de support cylindrique 5, par exemple réalisée dans le mme métal que les autres pièces du boîtier.

Dans le cas décrit ici, il s'agit d'un disque de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de 0,3 à 0,8 millimètres.

La plaque présente un diamètre similaire à celui de la paroi 3 et repose sur l'entretoise 4.

Comme cela est visible sur les figures 1 et 2, la plaque de support 5 est légèrement galbée, sa concavité étant tournée vers l'intérieur du boîtier. A titre indicatif, la flèche de cette plaque est de l'ordre de 2 à 4 millimètres, pour un diamètre de l'ordre de 10 centimètres.

On expliquera plus loin dans la description l'intért de donner à la plaque un tel galbe. Il s'agit toutefois d'une caractéristique préférentielle mais non obligatoire, des formes de réalisation non représentées du brûleur pouvant comporter une plaque de support strictement plane.

La seconde partie de la face de combustion FC est, du côté extérieur, constitué d'une nappe 6 d'un matériau souple, poreux et isolant thermique. A titre indicatif, son épaisseur est de l'ordre de 2 à 5 millimètres.

De façon particulièrement préférée, cette nappe est constituée de fibres de céramique enrobées de carbure de silicium ou d'oxyde d'alumine. Celle vendue par la société SCHOTT GAS SYSTEMS Inc, sous la marque SCHOTT CERAMAT convient parfaitement.

Toutefois, cette nappe peut tre également constituée de fibres métalliques.

Dans la structure de la figure 1, la nappe 6 correspond à une des deux grandes faces constitutives du boîtier 1, opposée à la seconde face constituée par la bride 10.

Contre sa périphérie est rabattu le rebord supérieur 110 de la bride 11. en quelque sorte, elle est prise en sandwich entre ce rebord et la plaque 5.

La plaque 5 et la nappe 6 présentent chacune des perforations pour le passage du mélange air/gaz à brûler.

Selon l'invention, les ouvertures 50 de la plaque 5 sont disposées en regard des perforations 60 de la nappe. De plus, elles ont des dimensions supérieures à celles desdites perforations. On expliquera plus loin l'intért de telles caractéristiques.

Les perforations 60 de la nappe traversent celle-ci dans le sens de son épaisseur. Elles ne doivent pas tre confondues avec les passages qui sont présents dans la structure mme de la nappe et qui lui confèrent sa porosité.

Dans le mode de réalisation présenté ici, les ouvertures et perforations sont circulaires et centrées les unes par rapport aux autres.

Selon un mode de réalisation avantageux, le diamètre d2 des ouvertures 50 est d'environ 2,4 millimètres, tandis que celui dl des perforations est de 1,5 millimètres.

La répartition des perforations 50 et des ouvertures 60 est homogène et régulière. Conformément au mode de réalisation de la figure 3, elles sont distantes de leurs voisines d'un pas N, par exemple de 3,5 millimètres. Elles sont donc réparties selon des motifs en forme de triangles isocèles, les perforations/ouvertures matérialisant trois à trois, les sommets d'un de ces triangles.

Dans l'exemple qui vient d'tre décrit, le boîtier 1 affecte une forme sensiblement cylindrique. Il est particulièrement adapté pour équiper un appareil de cuisson d'aliments.

Toutefois, dans des variantes non représentées, ce boîtier peut avoir des formes différentes, notamment parallélépipédique. Dans ce cas, la forme des pièces que renferme le boîtier est adaptée en conséquence.

A la figure 4 est représenté un mode de réalisation d'un brûleur plus particulièrement destiné à équiper une chaudière.

Sur cette figure, les éléments portant des références identiques à celles utilisées plus haut désignent des pièces identiques ou similaires.

Le boîtier de ce brûleur a également une forme cylindrique.

Cependant, sa hauteur est largement supérieure à son diamètre. L'une 12 de ses faces d'extrémité est borgne, tandis que la seconde 10 présente une ouverture 101 d'admission du mélange air/gaz à brûler. L'admission du mélange air/gaz dans le boîtier est donc réalisée selon l'axe longitudinal XX'du boîtier 1.

La nappe 6 matérialise ici la surface de révolution du cylindre et s'appuie sur une plaque 5, également cylindrique, mais de diamètre inférieur. Quant à la cloison de répartition 3, elle est cylindrique et coaxiale au boîtier.

Dans un souci de simplification, les éléments de liaison ou de calage des différentes pièces entre elles n'ont pas été représentés. Le choix de leur forme et dimensions est de la compétence normale de l'homme du métier.

Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement du brûleur selon l'invention, plus spécifiquement en référence aux figures 1 à 3.

Sur celles-ci, on a désigné par la référence A+G, le mélange air/gaz à brûler, et par la référence E, l'espace intérieur du boîtier.

Le mélange A+G est amené dans l'espace E du boîtier 1, par exemple à l'aide d'un ventilateur non représenté, par l'ouverture 101. Dans l'espace A1 situé entre cette ouverture et la cloison 3, le mélange A+G s'établit selon une certaine pression.

Ce mélange est alors forcé à travers les ouvertures 30 de la cloison pour rentrer dans l'espace référencé A2, disposé au-dessus de cette cloison.

Ce transfert d'un espace à l'autre permet de répartir le mélange air/gaz de manière régulière dans l'espace A2. Il va donc pouvoir tre distribué d'une façon homogène au niveau de la face de combustion FC.

Comme déjà dit plus haut, la plaque 5 a pour fonction de supporter la nappe 6.

Dans le cas présenté ici, cette plaque présente un certain galbe, sa concavité étant tournée vers l'intérieur. De cette manière, mme si elle vient à se dilater sous l'effet de la chaleur de combustion, cette"pré-déformation"lui assure de conserver une forme galbée et, ainsi, de continuer à assurer son rôle de soutien de la nappe.

Une plaque strictement plane conviendrait également. Toutefois, par un phénomène de dilatation, on court le risque qu'elle ne s'affaisse et qu'elle ne remplisse plus alors son rôle de soutien.

Le diamètre des perforations 50 de la plaque 5 et le pas N sont des paramètres qui permettent de définir la puissance maximale du brûleur par centimètre carré de surface, ainsi que la plage de variation de cette puissance, sans provoquer de rentrée de flamme sous la plaque 5.

Pour une plage de puissance de 1 à 30, le diamètre des ouvertures est de 2,4 millimètres, pour un pas de 3,5 millimètres.

Dans la mesure où les ouvertures 60 de la nappe 6 sont disposées en coïncidence avec les perforations 50 de la plaque et ont un diamètre inférieur, il n'y a pas de problème de tolérance entre elles.

L'essentiel de l'évacuation du mélange A+G hors du boîtier se fait au travers des ouvertures 60 de la nappe 6, et sa combustion au niveau de la face FC se manifeste par la présence de dards principaux ou flammes référencés 7 à la figure 3.

De plus, dans la mesure où les dimensions des ouvertures 50 de la plaque 5 sont plus importantes que celles des perforations 60, il existe une région R à la base de ces dernières qui est accessible au mélange A+G, puisque non supportée par la plaque.

La structure poreuse, aérée de la nappe 6, fait que ce débit secondaire d'air et de gaz peut migrer jusqu'à l'extérieur, ce qui se traduit par des dards 8 de dimensions réduites entourant les dards principaux 7. Ce sont ces dards auxiliaires 8 qui maintiennent la flamme accrochée à l'extérieur de la face de combustion FC.

De préférence, la zone périphérique de la nappe 6 est exempte de perforations 60, de façon à éviter que les flammes ne chauffent exagérément le rebord supérieur 110 de la virole 11.

Etant soutenue par la plaque 5, la nappe 6 est plus résistante aux chocs et déformations, et confère au brûleur les mmes caractéristiques de combustion qu'un brûleur dépourvu de plaque de soutien.

Le brûleur de la figure 4 fonctionne de la mme manière, si ce n'est que la combustion a lieu à la surface extérieure d'une nappe de forme cylindrique.

Un tel brûleur est particulièrement adapté pour tre intégré dans une chaudière à usage privé ou industriel.