CA1264437A - Bruleur a gaz - Google Patents

Bruleur a gaz

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Gerard Demaisonneuve
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

L'invention se rapporte a un brûleur a gaz, et plus particulièrement a un brûleur comportant un diffuseur amplifiant la dispersion du gaz a l'intérieur de l'air et une plaque d'orifice divisant l'air primaire en une pluralité de jets a haute vitesse caractérisés par l'agencement de la plaque d'orifice et du diffuseur, lequel agencement permet de diviser la zone de prémélange du brûleur en deux sous-zones.

Description

` 1~64437 MEMOIRE DESCRIPTIF

DOMAINE DE L' INVENTION

L'invention se rapporte à un brûleur ~ gaz et plus particulière-ment à un brûleur comportant un diffuseur amplifiant la disper-sion du gaz à l'intérieur de l'air.

DESCRIP~ION DE L'ART ANTERIEUR

Les brûleurs du type a~utaqe mélanaeur sont des systèmes simples et très flexibles. Ils sont caractérisés par l'utilisation d'un conduit de gaz installé coaxiallement à l'intérieur d'un conduit d'air. Un système de ce genre peut normalement fonction-ner avec un excès d'air, un excès de gaz ou stoéchiométriquement sans craindre de retour de flamme. Cependant, étant donné
qu'il n'y a pas de prémélange de l'air et du gaz avant la combustion, ce type de brûleur donne un rendement inférieur à
d'autres types de brûleurs où il existe un prémélange.

Nous retrouvons donc une certaine quantité de brevets dont le but est d'ajouter une zone de prémélange du carburant et du comburant avant l'introduction des gaz dans la chambre de combustion.

Cette zone de prémélange dénommée aussi chambre de prémélange prend plusieurs formes et les brevets canadiens 937,152 (Lefebvre), 1,085,710 (Lefebvre), 1,169,753 (De Maisonneuve) et 1,191,443 (Lefebvre) et américain, 3,820,943 (Lancey et al) et 4,424,793 (~ooperrider) en sont quelques exemples.

Parmi les facteurs influençant le rendement de la combustion nous notons:
- l'excès d'air utilisé;
- l'homogénéité du mélange;

1~i4437 - les températures et pressions avant combus-tion de melange; et - la turbulence.

Les brevets ci-dessus mentionnés montrent des chambres de prémélange comportant des moyens pour améliorer un des facteurs influençant le rendement de la combustion. La pratique a confirmé que certains d'entre eux améliorent effectivement le rendement de la combustion. Cependant, l'on constate que malgré
l'amélioration apportée, ces br~leurs n'atteignent pas le maximum d'efficacité que 1'on peut attendre d'eux.

Le principal probl~me rencontré dans ces chambres de prémélange réside justement à ce que l'on se concentre sur l'amélioration d'un seul facteur, estimant que les autres demeureront inchangés ou que leur influence est de moindre importance.

Par exemple, il est bien connu de l'homme versé dans l'art que les gaz tels que le gaz naturel, le propane ou autre gaz dérivé
du pétrole se combinent difficilement à l'air. Pour favoriser l'obtention d'un mélange homogène, Lefebvre et De Maisonneuve ont mis au point des configurations de brûleurs dont la tâche est d'augmenter la turbulence dans la zone de prémélange et/ou la zone de combustion.

Lancey et Cooperrider proposent des agencements de brûleur modifiant la vitesse des gaz de façon ~ produire un meilleur mélange. Nous proposons un système simplifié englobant les deux objectifs décrits dans ces brevets.

Finalement, parmi les modèles décrits dans les brevets énumérés ci-dessus, aucun ne présente les objectifs d'optimiser des variables telles que la température d'inflammation et le délai d'allumage, autres facteurs influençant le rendement d'un br~leur.

~1 ~
A`~`

126443~

OBJECTIF DE L'INVENTION

Un premier objectif de cette invention est de munir un brûleur à gaz d'un système de prémélange permettant un mélange plus homogène du gaz avec l'air avant son entrée dans la zone de combustion.

Un deuxi~me objectif de cette invention est de permettre le maintien d'une plus grande pression à la tête du br~leur de façon ~ obtenir un délai d'allumage court permettant ainsi une période de combustion plus longue résultant en une combustion plus compl~te.

DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 présente une vue en perspective d'une realisation de l'invention.

La figure 2 est une coupe latérale de la réalisation de l'inven-tion présentée à la figure 1.

La figure 3 est une vue en coupe explosée de la réalisation de l'invention présentee à la figure 1.

DESCRIPTION D'UNE REALISATION PREFEREE DE L'INVENTION

Tel que présenté aux figure 1 ~ 3, le brûleur comprend un conduit d'air 12, ~ l'intérieur duquel est installé un conduit de gaz 14 leguel est obstrué ~ son extrémité mais poss~de des ouvertures périphériques 16 permettant une distribution radiale du gaz par rapport ~ l'axe du conduit 14.

De plus, pour permettre un ajustement du débit selon les dif-férents modèles du brûleur, un anneau 18, vient recouvrir ces ouvertures 16. Cedit anneau 1~ est perforé d'un certain nombre de trous calibr~6 20 de sorte qu'un débit précis, en fonction de la pression d'alimentation, est obtenu.

De fa~on optionnelle, une hélice 22 est installée à l'intérieur du tube, en aval des ouvertures pour rétablir l'uniformité de la distribution du gaz dans le conduit 14, laquelle uniformité
est détruite par la présence d'un coude (non illustré dans les figures) ~ une distance relativement proche du brûleur.

Pour permettre que le gaz soit mélangé rapidement et uniformé-ment à l'air primaire, un diffuseur 24 orienté en sens inverse du courant d'air primaire, et une plaque 25 comprenant une série d'orifices 26 viennent composer un système permettant, en tenant compte de la cinétique des gaz, qu'un mélange d'une plus grande homogénéité soit obtenu. L'action combinée de la plaque 25 et du diffuseur 24 force l'air ~ p~nétrer ~ l'intérieur du gaz.

Ladite plaque 25 permet que l'air primaire soit divisé en une multitude de jets pendant que le diffuseur 24 renvoie le gaz en direction de la plaque 25.

L'action du diffuseur 24 est aussi d'éviter que le gaz puisse être enrobé par l'air et être emporté sous forme de courant de gaz sans réel prémélange. Etant donné que le gaz est distribué
radialement par les orifices 20, nous pourrions croire que la pénétration de l'air pourrait se faire sans la présence du diffuseur. Cependant, l'expérience a démontré que lorsque deux jets de gaz se coupent perpendiculairement les deux jets vont plutôt se dévier mutuellement au lieu de se mélanger. Ce phénomène prend encore plus d'envergure lorsqu'aucune barrière ne fait obstacle au ph~nomène. Il est aussi du rôle du diffuseur 24 de tenir lieu d'obstacle.

.,~ . ~ . ~

1~644~7 Finalement, une sous-zone est realisee à l'intérieur de la zone de prémélange. Cette sous-zone est délimitée par le volume intérieur libre du diffuseur 24 et l'espacement entre la plaque 25 et le diffuseur 24. Ledit espacement définit aussi l'orifice 29 d'écoulement du mélange air/gaz obtenu dans cette dite sous-zone. L'air primaire est admis dans cette sous-zone de prémé-lange grâce ~ une distribution et à un agencement des orifices 26 de la plaque 25 prévue pour qu'une portion de l'air primaire soit dirigée vers ladite sous-zone et que l'autre portion soit dirigée dans le restant de la zone de prémélange.

Ainsi, la portion d'air primaire dirigée par la plaque 25 et le gaz, en plus de s'écouler à contresens sont forcés de passer ensemble à travers l'orifice 29. L'autre portion d'air primaire est rapidement mélangée au gaz dans le reste de la zone de prémélange grâce à la division de l'air en jets à vitesse élevée et la dispersion radiale du gaz.

En aval de ce système nous trouvons un système de vanne 27 lequel système a comme principale fonction de donner une tur-bulence au melange avant l'introduction dans la chambre de combustion.

De plus, un col 28 vient, conjointement avec le système de vanne 27, former une restriction au passage de l'air permettant qu'au niveau de la zone de mélange existe une pression supérieure à la pression régnant dans la chambre de combustion.

Pour éviter, dans le cas d'appareil de grande capacité, que le mélange s'appauvrisse en dessous de sa limite inférieure d'in-flammabilité avant son introduction dans la chambre de combus-tion, un anneau 30 vient limiter la zone de prémélange et éviter que l'air secondaire ne soit mélangé au mélange carburant/com-burant avant que ce dernier ne soit enflammé.

,~ , .

~644~7 De plus, un pilote 32 d'un type connu de l'homme versé dans l'art porte la température du gaz à ~m niveau voisin de la température d'inflammation spontanée correspondante à la pression régnante dans la chambre de prémélange.

Tenant compte du délai d'allumage, le mélange air~gaz s'enflamme dès la sortie de la zone de prémélange.

Par cet arrangement, nous influençons la température d'inflamma-tion, le délai d'allumage et les limites d'inflammabilité.

L'augmentation de pression augmente la température d'inflamma-tion mais en même temps réduit le délai d'allumage, ainsi, le mélange gaz/air prenant beaucoup moins de temps à s'enflammer, le combustion peut se prolonger sur une plus longue période.
La turbulence provoquée par les deux systèmes vient réduire la richesse du mélange que nous devons maintenir pour permettre une combustion rapide.

Finalement, etant bien connu de l'homme versé dans l'art que le mélange air/gaz s'enflamme plus rapidement si la proportion de gaz est légèrement supérieure à la proportion stoéchiomètrique et qu'un meilleur rendement est obtenu avec un excès d'air, nous concilions ces deux positions par la présence de l'anneau 30 qui ~vite une dilution en dessous de la proportion stoéchio-métrique avant que le mélange s'enflamme et par la présence du système de vanne 27 qui vient ajouter l'excès d'air nécessaire permettant d'obtenir un bon rendement, aussitôt la combustion entreprise.
Bien que l'invention a ~té décrite par le biais d'une réalisa-tion, il doit être compris que l'invention peut prendre d'autres formes sans pour autant s'éloigner de l'idée du sujet.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Un brûleur à gaz pour appareil de chauffage caractérisé
par:

- un tuyau d'alimentation axial pour fournir un débit de combustible gazeux audit brûleur;

- un tuyau d'alimentation axial pour fournir un débit de comburant gazeux audit brûleur;

- un premier moyen pour diriger ledit débit de combus-tible gazeux dans une direction opposée audit débit de comburant gazeux;

- un second moyen pour permettre à une portion dudit débit de comburant gazeux de former au moins un jet à haute vitesse;

- un troisième moyen pour créer un air secondaire annulaire entourant le premier et le second moyen, dans lequel la proportion de combustible gazeux dans le mélange est gardée supérieure à la proportion stoéchiométrique avant l'allumage.
2. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 1, dans lequel ledit second moyen est placé en amont dudit premier moyen par rapport au débit de combustible gazeux à
l'intérieur dudit tuyau d'alimentation et l'arrangement des deux moyens crée une sous-zone de prémélange, ladite sous-zone permet une première dilution dudit combustible gazeux dans ledit comburant gazeux.
3. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 1, dans lequel le second moyen est une plaque généralement circulaire possédant une pluralité de trous.
4. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 2, dans lequel le second moyen est une plaque généralement circulaire, possédant une pluralité de trous.
5. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 1, dans lequel ledit troisième moyen est un anneau entourant ledit second moyen.
6. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 2, dans lequel le troisième moyen est un anneau entourant ledit second moyen.
7. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 1, dans lequel le second moyen est une plaque généralement circulaire, possédant une pluralité de trous et le troisième moyen est un anneau entourant ledit second moyen.
8. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 2, dans lequel ledit second moyen est une plaque généralement circulaire, possédant une pluralité de trous et le troisième moyen est un anneau entourant ledit second moyen.
9. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 1, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
carburant.
10. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 2, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
carburant.
11. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 3, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
carburant.
12. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 4, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
carburant.
13. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 5, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
comburant.
14. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 6, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilise pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
comburant.
15. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 7, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
comburant.
16. Un brûleur à gaz tel que décrit dans la revendication 8, caractérisé par un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens, lequel quatrième moyen est utilisé
pour augmenter la turbulence dans le mélange combustible/
comburant.
17. Un brûleur à gaz pour appareil de chauffage caractérisé par:

- un tuyau d'alimentation axial pour fournir un débit de combustible gazeux audit brûleur;

- un tuyau d'alimentation axial pour fournir un débit de comburant gazeux audit brûleur;

- un premier moyen pour diriger lesdits débits de combus-tible gazeux dans une direction opposée audit débit de comburant gazeux;

- un second moyen pour permettre à portion dudit débit de comburant gazeux de former au moins un jet à haute vitesse;

- un troisième moyen pour créer un air secondaire annulaire entourant le premier et le second moyen, dans lequel la proportion de combustible gazeux dans le mélange est gardée supérieure à la proportion stoéchiométrique avant l'allumage;

- un quatrième moyen placé en amont desdits premier et second moyens et utilisé pour augmenter la turbulence du mélange combustible/comburant;

dans lequel ledit second moyen est une plaque généralement circulaire, possédant une pluralité de trous et le troisième moyen est un anneau entourant ledit second moyen.
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