[0001] La présente invention concerne un brûleur gazéifieur pour appareil de chauffage utilisant
un combustible solide tel que chaudière, générateur d'air chaud ou autre appareil
ayant un tel brûleur.
[0002] Les appareils de chauffage utilisant du bois, ou autres combustibles solides, sont
connus et utilisés depuis fort longtemps. Les premiers appareils étaient très rudimentaires
et comportaient essentiellement un foyer et une cheminée.
[0003] Avec l'augmentation des coûts des combustibles, et le souci de diminuer la pollution
atmosphérique, ces appareils ne répondent plus aux nécessités actuelles.
[0004] On sait que la combustion du bois et autres combustibles solides est accompagnée
d'une série de réactions chimiques très complexes qui sont fonction de différents
facteurs incluant la température ambiante. Dans un premier temps, le bois est détruit
en le chauffant au-dessus de sa température d'allumage de façon à ce que des gaz combustibles
soient produits par distillation. Ensuite, ces gaz sont soumis à la combustion en
présence d'air produisant ainsi la chaleur requise pour continuer le processus de
distillation. Une partie de la chaleur non requise par le processus de distillation
peut être récupérée à des fins de chauffage.
[0005] Essentiellement, la pollution résultant de la combustion du bois ou autres combustibles
solides résulte du fait qu'une portion plus ou moins grande des gaz ainsi distillés
ne sont pas brûlés et donc évacués vers l'atmosphère. La difficulté provient en grande
partie du fait que les gaz combustibles provenant de la distillation ont une température
d'allumage variant sensiblement entre 350'C (méthanol) et 609
*C (monoxyde de carbone).
[0006] On a déjà proposé des appareils visant à augmenter l'efficacité du processus de combustion
afin de diminuer le contenu polluant des gaz et fumées rejetés dans l'atmosphère.
On citera à titre documentaire les brevets américains Nos 4,309,965 (Hill), et 4,479,481
(Ingersoll et al.).
[0007] Cependant, aucun des appareils et procédés connus ne permet de contrôler totalement
la pollution. En effet, notamment lors des opérations de mise en marche et d'arrêt,
une certaine quantité de produits polluants est encore rejetée dans l'atmosphère.
[0008] La présente invention a essentiellement pour objet un brûleur gazéifieur susceptible
d'être utilisé dans un appareil de chauffage utilisant un combustible solide et qui
permet de réduire pratiquement à néant la pollution qui résulte lors des opérations
de mise en marche et d'arrêt de l'appareil.
[0009] La présente invention a également pour objet un brûleur gazéifieur pour appareil
de chauffage à combustible solide qui fournit la plus grande partie de la chaleur
nécessaire à la distillation du combustible solide.
[0010] Un brûleur gazéifieur selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comprend,
en association, une enveloppe extérieure tubulaire ayant une série d'ouvertures, un
conduit brûleur qui est disposé longitudinalement à l'intérieur de l'enveloppe, ce
conduit comprenant une entrée et une sortie, ladite sortie communiquant avec une chambre
de détente, tandis que l'entrée est disposée à proximité d'une entrée d'air secondaire
et communique par un espace annulaire avec les ouvertures précitées.
[0011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de
la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés
dans lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un appareil de chauffage tel
qu'une chaudière, comprenant un brûleur gazéifieur selon la présente invention ;
la figure 2 est une vue en élévation coupe selon un plan passant par la ligne II-II
de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en élévation coupe selon un plan passant par la ligne III-III
de la figure 2 ;
la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 montrant une chaudière comprenant une
autre forme de réalisation de brûleur ;
la figure 5 est une vue en coupe verticale suivant la ligne V-V de la figure 4 ;
la figure 6 est une coupe horizontale suivant la ligne VI-VI de la figure 5 ;
la figure 7 est une vue en coupe du corps du conduit brûleur suivant la ligne VII-VII
de la figure 6.
[0012] Suivant une forme de réalisation choisie et représentée aux figures 1 à 3, le brûleur
gazéifieur est globalement indiqué par 10, il est disposé suivant sa position axiale
à l'intérieur d'une chaudière 30 sensiblement parallélépipédique comprenant un habillage
convenablement calorifugé 31, une réserve de combustible solide 32 au-dessous de laquelle
est disposé le foyer 33. Le brûleur gazéifieur 10 s'étend de l'avant vers l'arrière
de la chaudière et il débouche, vers l'arrière, dans une chambre de détente 34 au-dessus
de laquelle est disposé un échangeur de chaleur 36 qui communique lui-même avec une
boite à fumées 37 à la sortie de laquelle est disposé un extracteur 38 connu en soi.
[0013] La partie inférieure du brûleur gazéifieur 10 est disposée au niveau de grilles 11.
[0014] Le brûleur gazéifieur 10 comporte une enveloppe extérieure cylindrique 12, ayant
une série d'orifices d'aspiration 13 disposés dans la partie supérieure de l'enveloppe
12. Un couvercle de protection 14 est disposé au-dessus des orifices d'aspiration
13, tandis qu'un conduit brûleur 15 est disposé coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe
extérieure 12. L'extrémité arrière du conduit brûleur 15 débouche et est en communication
avec la chambre de détente 34, tandis que l'extrémité avant, libre et ouverte, est
située à une certaine distance d'une paroi avant 16 fermant l'enveloppe extérieure
cylindrique 12. Un tube 17 traverse l'habillage 31 et la paroi avant 16 de l'enveloppe
extérieure cylindrique 12, et se termine à une certaine distance de celle-ci à l'intérieur
du brûleur gazéifieur.
[0015] Des embases 20 en matériau réfractaire, sont disposées de chaque côté de la base
du foyer 33. Des orifices 21 sont disposés en façade de la chaudière et sont en communication
avec des tubes répartiteurs 22 disposés entre l'extrémité inférieure des embases 20,
et un support 22A, les tubes répartiteurs précités sont disposés parallèlement au
brûleur gazéifieur 10, et ils comportent une série d'ouvertures latérales 23 et 24.
[0016] Les ouvertures 23 communiquent avec la base du foyer 33, tandis que les ouvertures
24 communiquent, par un passage 25 situé derrière les embases 20, avec des canaux
26 qui sont déterminés entre une partie supérieure de l'embase 20 et une partie inférieure
d'une pièce 27 qui est fixée sur les parois latérales du foyer 33 et ce, au-dessus
des embases 20.
[0017] La disposition du brûleur gazéifieur et plus particulièrement sa grande surface de
rayonnement située à un niveau supérieur à celui des grilles 11, permet à l'enveloppe
12 d'être portée à haute température environ 1050'C par le rayonnement du conduit
brûleur 15 qui est lui-même porté à une température d'environ 1200'C par la température
des gaz enflammés dans le conduit brûleur.
[0018] Pendant le fonctionnement du brûleur, on obtient une gazéification avant la transformation
du bois en charbon de bois ou carbone fixe, ce qui permet de gazéifier le combustible
solide, au fur et à mesure des besoins calorifiques des installations.
[0019] L'air primaire est admis par les orifices 21 en façade de la chaudière. Cet air se
trouve surchauffé à l'intérieur des tubes répartiteurs 22 qui sont eux-mêmes surchauffés
par la conductibilité des embases 20 en matériau réfractaire.
[0020] La répartition de l'air primaire se fait préférablement selon les propositions suivantes
: 25% par les ouvertures latérales 23 pour assurer la combustion complète des carbones
situés au-dessus des grilles 11, et 75% vers l'extérieur par les autres ouvertures
latérales 24. L'air passant par les ouvertures latérales 24 est canalisé par le passage
25 et est surchauffé à haute température par l'extérieur des masses réfractaires 20
avant d'être injecté dans le foyer par les canaux précités 26 ; cet air active la
combustion et fait un balayage de toute la gazéification produite par le couvercle
de protection 14 et l'enveloppe extérieure 12.
[0021] Le débit d'air primaire est contrôlé de manière à ce que les gaz produits par le
rayonnement du brûleur ne soient pas tous enflammés ; ces gaz, mélangés au produit
de la combustion des carbones fixes, sont aspirés par les orifices d'aspiration 13
à l'intérieur d'un espace annulaire 19 ménagé entre l'enveloppe extérieur 12 et le
conduit brûleur 15.
[0022] A l'intérieur de cet espace annulaire 19, les composants gazeux sont en contact avec
le produit brûleur 15. Ce dernier étant à une température d'environ 1200
*C, porte les composants gazeux à environ 1050
*C, température supérieure à leur point éclair. Par le rayonnement du conduit brûleur
15 et la conductibilité des composants gazeux, l'enveloppe extérieure 12 est portée
à environ 1050'C.
[0023] Les gaz sont ensuite canalisés à l'intérieur de l'espace annulaire 19 jusqu'à un
point de mise à feu symbolisé par 18 à la figure 3. A ce point de mise à feu 18, les
composants gazeux sont mélangés à l'air secondaire surchauffé provenant du tube 17.
Le mélange ainsi obtenu s'enflamme au point de mise à feu 18 et la température atteint
les 1200'C. Les gaz ainsi allumés continuent à brûler à l'intérieur du conduit brûleur
15 pour se détendre dans la chambre de détente 34 afin que la combustion soit totale
avant que les gaz entrent en contact avec une paroi froide de l'échangeur comprenant
un faisceau de tubes 36A.
[0024] La disposition de la chambre de détente 34 permet de récupérer les particules de
cendre entraînées par la combustion dans le conduit brûleur 15.
[0025] Les gaz pratiquement neutres à haute température sont canalisés vers l'échangeur
36 connu en soi pour en transférer leur énergie à un fluide caloporteur. Une boîte
à fumées 37 collecte les gaz à la sortie de l'échangeur 36. Un extracteur de fumée
38 connu en soi assure la circulation dans tous les circuits de gaz et transfère les
gaz refroidis vers une cheminée (non représentée sur les dessins).
[0026] La chaudière est mise en veilleuse automatiquement lorsque la température désirée
du fluide de l'installation de chauffage est atteinte, ce qui provoque -à l'aide d'un
appareil usuel- l'arrêt de l'extracteur 38, celui-ci assurant la fermeture du circuit
des gaz. A l'inverse il suffit de quelques carbones fixes ou charbon de bois incandescent
à l'intérieur du foyer pour faire démarrer la gazéification aussitôt que le circuit
des gaz est à nouveau ouvert (extracteur 38a nouveau en fonctionnement).
[0027] Suivant une autre forme de réalisation illustrée aux figures 4 à 7, l'appareil de
chauffage 110 comprend, en façade, et en partie supérieure une porte de chargement
112, tandis qu'en partie inférieure une porte 113 permet l'accès à la base du foyer
F et au cendrier 115, ménagé en dessous de grilles 116.
[0028] Le foyer F s'étend sur toute la hauteur de l'appareil de chauffage, et seulement
sur une partie de la largeur (environ les deux tiers), le tiers restant étant occupé
respectivement par -en partant du bas- le brûleur gazéifieur indiqué globalement en
120 avec dans son prolongement une chambre de détente 121, le brûleur gazéifieur et
la chambre de détente précités étant surmontés par un échangeur de chaleur indiqué
dans son ensemble par 124. La base du foyer est alimentée en air au moyen d'un orifice
125 ménagé dans le dessus de l'appareil, et d'un canal 126 débouchant dans des ouies
127 prévues en bas du foyer sur le côté gauche en regardant la façade de la chaudière.
[0029] Le brûleur gazéifieur 120 comprend une enveloppe extérieure 120A dont la section
transversale, dans l'exemple illustré est sensiblement rectangulaire par exemple carrée
; on note que l'enveloppe extérieure en question pourrait aussi être de section circulaire
ou autre, avec en tous cas un axe longitudinal et horizontal X-X.
[0030] Tel que représenté, l'enveloppe extérieure 120A est par un côté latéral directement
en communication avec la base du foyer F et ce, au moyen d'une pluralité de trous
d'aération 120B ménagés dans ladite paroi.
[0031] Ainsi qu'il est bien visible en particulier à la figure 4, les trous 120B pratiqués
dans la paroi latérale de l'enveloppe extérieure sont répartis sur trois niveaux
N,N1,N
2' les trous du niveau inférieur N étant placés sensiblement à la hauteur de la grille
116.
[0032] Ainsi qu'il est bien visible aux figures 6 et 7, l'enveloppe extérieure 120A porte
sur sa paroi de façade 120C une tubulure 120D d'amenée d'air secondaire ayant une
partie terminale débouchante à l'extérieur de la chaudière, et l'autre partie terminale
engagée dans un conduit brûleur 120E de mise à feu. A sa partie terminale située à
l'extérieur de la chaudière la tubulure 120D comporte un passage calibré 120F. Le
conduit brûleur 120E présente une surface tronconique divergente de l'avant de la
chaudière vers l'arrière ; l'extrémité arrière (grande base) comporte une lèvre périphérique
120H pour le raccordement dudit conduit brûleur, de sorte à déterminer entre l'enveloppe
extérieure 120A et le conduit brûleur une enceinte 1201 pour les gaz de combustion
en provenance du foyer.
[0033] Du côté avant (petite base) le conduit brûleur 120E forme avec la tubulure 120D d'amenée
d'air secondaire un passage annulaire obligé 120J pour l'admission des gaz en provenance
du foyer, à l'intérieur de l'élément de mise à feu.
[0034] A noter que l'on a constaté qu'un rendement optimal est obtenu en engageant la tubulure
d'amenée d'air secondaire 120D à l'intérieur du conduit brûleur 120E d'environ une
fois et demi son diamètre, tandis que la surface du passage annulaire obligé 120J
est d'environ le double de la surface totale des trous 120B pratiqués dans la paroi
latérale de l'enveloppe extérieure 120.
[0035] A l'arrière, le brûleur gazéifieur est prolongé par la chambre de détente 121 dont
le haut 121A est ouvert et est en communication avec un collecteur inférieur 124A
de l'échangeur 124 qui comprend un faisceau de tubes verticaux parallèles 124B raccordés
au collecteur inférieur précité et à un collecteur supérieur 124C, les gaz circulant
à travers l'échangeur étant soumis à l'action d'un extracteur connu en soi non visible
ici.
[0036] Le faisceau de tubes verticaux 124B de l'échangeur est noyé dans un quelconque liquide
avec arrivée et départ vers une installation de chauffage, lesdites arrivées et départ
n'étant pas représentés sur les dessins parce que bien connus en soi.
[0037] On notera que le collecteur inférieur 124A peut, le cas échéant, recevoir un brûleur
à mazout connu en soi symboliquement représenté en 130 à la figure 2.
[0038] Il convient de souligner que l'enveloppe extérieure 120 et la chambre de détente
121 occupent en largeur sensiblement le tiers de la largeur de l'appareil de chauffage
en s'étendant sur pratiquement toute la profondeur de celui-ci ; de même l'échangeur
s'étend sur toute la hauteur dudit appareil en surmontant les deux organes 120 et
121 précités.
[0039] Pour ce qui concerne les trous du niveau inférieur
N1 pratiqués dans le corps du conduit brûleur, on note que ces derniers, en particulier
dans le cas d'un appareil utilisant du bois comme combustible, permettent le transfert
des gaz issus de la combustion du charbon de bois (encore appelé carbone fixe) dans
l'enceinte 1201 déterminée entre le conduit brûleur 120E et la paroi interne de l'enveloppe
extérieure 120A, lesdits gaz étant des gaz neutres ayant restitués leur plus grande
partie de pouvoir calorifique.
[0040] Pour ce qui concerne les trous médians au niveau N1, ces derniers permettent l'introduction,
dans l'enceinte 1201, d'un mélange de gaz neutre provenant des carbones fixes, et
de gaz non enflammé -ou en cours de combustion- provenant de la base de la couche
de gazéification provoqué par la température de la couche de combustion des carbones
fixes.
[0041] Les trous supérieurs situés au niveau N2 permettent l'admission dans l'enceinte 1201
des gaz produits par la couche supérieure de gazéification, ces derniers ne sont pas
enflammés, l'absence d'oxygène ne permet pas la combustion.
[0042] En fonctionnement, le mélange de tous les gaz admis par les trous 120A, 120B, 120C,
à l'intérieur de l'enceinte 1201 sont surchauffés par la température élevée du conduit
brûleur, une telle température étant de l'ordre de 800' centigrades.
[0043] Ces gaz sont canalisés par l'aspiration de l'extracteur dans le passage annulaire
obligé, et ils prennent de la vitesse (accélération de l'ordre de deux fois et demie
par rapport à la vitesse à laquelle ils circulent dans l'enceinte 1201.
[0044] L'air secondaire admis à travers l'orifice 120F dans la tubulure 120D d'amenée d'air
secondaire est dosé afin de réduire sa vitesse dans ladite tubulure.
[0045] On a remarqué au cours d'essais de Laboratoire que par rapport à la vitesse des gaz
circulant dans le passage annulaire obligé, la vitesse de l'air secondaire doit être
quatre fois moindre.
[0046] A cet effet, la section de la sortie de la tubulure d'amenée d'air secondaire (extrémité
de la tubulure engagée dans le conduit brûleur) est approximativement quatre fois
celle de l'orifice d'entrée 120F.
[0047] Ceci étant, dans la zone Z (figure 6) la vitesse des gaz est très réduite, et, dans
cette zone, ils se mélangent à l'air secondaire dosé amené par la tubulure 120D ce
qui donne naissance à une turbulence.
[0048] Le mélange gaz-air secondaire s'enflamme, et on règle de sorte que la vitesse des
gaz ne dépasse la vitesse de l'air secondaire à l'intérieur de la tubulure 120D, de
sorte que la zone de combustion Z reste pratiquement stable à la sortie de la tubulure
d'amenée d'air secondaire.
[0049] On a remarqué que la surface tronconique de l'élément de mise à feu 20E permet l'expansion
des gaz, expansion provoquée par leur montée en température, sans en augmenter la
vitesse, mais de façon à occuper le plein volume pour que la flamme ne décolle pas
des parois.
[0050] A l'intérieur du conduit brûleur la température se situe aux environs de 1200 degrés
centigrades, ce qui permet aux gaz arrivant au contact de l'air secondaire (zone Z)
d'être enflammés sans difficulté ; étant donné la température élevée ci-dessus, la
combustion est pratiquement totale d'où il résulte une pollution pratiquement réduite
à néant. On observe donc que, dans un appareil de chauffage selon l'invention on effectue
une précombustion dans le foyer F et une postcombustion dans le brûleur gazéifieur
ou les gaz provenant de la précombustion débouchent tout autour de l'orifice d'amenée
d'air secondaire.
1. Brûleur gazéifieur pour un appareil de chauffage utilisant un combustible solide
qui comprend un foyer (33) dont la portion inférieure est définie par une grille (11),
le brûleur gazéifieur étant caractérisé par le fait qu'il comprend, en association,
une enveloppe extérieure tubulaire (12, 120) dans laquelle est aménagée une série
d'orifices d'aspiration (13, 120B) destinés à être en communication avec la base du
foyer (33), un conduit brûleur (15, 120E) disposé longitudinalement à l'intérieur
de l'enveloppe (12, 120), ce conduit brûleur (15, 120E) qui a une entrée et une sortie,
étant adapté à définir avec l'enveloppe extérieure (12, 120) un espace annulaire (19,
120J) communicant avec ladite entrée, à proximité de laquelle est disposée une entrée
d'air secondaire (17, 120).
2. Brûleur gazéifieur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices
d'aspiration (13) ménagés dans l'enveloppe extérieure (12) sont disposés longitudinalement
sur la portion supérieure de l'enveloppe.
3. Brûleur gazéifieur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'un couvercle
de protection (14) est disposé au-dessus desdits orifices d'aspiration (13).
4. Brûleur gazeifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que l'enveloppe extérieure (12) et le conduit brûleur (15), sont de forme cylindrique
de révolution.
5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'enveloppe extérieure (12) et le conduit brûleur (15) sont coaxiaux.
6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'orifice d'amenée d'air secondaire (17) est situé au voisinage de l'entrée du
conduit brûleur (15) et traverse une paroi avant (16) de l'enveloppe extérieur cylindrique
(12).
7. Brûleur gazeifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce qu'il comprend en outre des embases en matière réfractaire (20) aptes à être
disposées de chaque côté de la base du foyer (33), des tubes répartiteurs (22) ayant
des ouvertures latérales (23, 24), adaptées à communiquer d'une part avec la base
du foyer (33) et, d'autre part, à l'aide d'un passage (25), avec des canaux (26) ménagés
en partie haute des embases, lesdits tubes répartiteurs (22) étant en communication
avec des orifices (21) d'amenée d'air primaire.
8. Brûleur gazeifieur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe
extérieure (20) présente une section rectangulaire avantageusement carrée avec :
- un axe longitudinal (X-X) qui s'étend parallèlement à un côté latéral de l'appareil
;
- une face de côté directement en communication avec la base du foyer F à l'aide d'une
pluralité de séries superposées d'orifices d'aspiration (120B) ;
- une face frontale qui porte la tubulure d'amenée d'air secondaire (120D) ;
- un conduit brûleur (120E) qui détermine avec l'enveloppe extérieure (120), une enceinte
pour les gaz de combustion provenant du foyer (F) et avec ladit tubulure (120D) un
passage annulaire obligé (120J) pour l'admission desdits gaz à l'intérieur du conduit
brûleur (120E).
9. Brûleur gazeifieur selon l'un quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que le conduit brûleur (120E) présente une surface tronconique, il reçoit du
côté de sa petite base une partie terminale de la tubulure (120D) d'amenée d'air secondaire
en ménageant le passage annulaire obligé (120J) précité.
10. Brûleur gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que la surface du passage annulaire obligé (120J) est sensiblement le double
de celle de la totalité des orifices d'aspiration (120B) mettant le foyer (F) en communication
avec le conduit brûleur (120E).
11. Brûleur gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que le conduit brûleur (120E) l'enveloppe extérieure (120) forment, ensemble,
une enceinte (1201) communiquant d'une part avec le foyer F, et, d'autre part, à travers
le passage obligé précité (120J), avec le volume intérieur dudit conduit brûleur.
12. Brûleur gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce que l'amenée d'air secondaire (120D) est en partie engagée dans le conduit brûleur
(15), la longueur de la partie engagée étant sensiblement une fois et demie le diamètre
dudit conduit.
13. Appareil de chauffage tel que chaudière (30) utilisant un combustible solide du
genre comprenant un habillage, une réserve de combustible (32) solide avec une porte
pour son chargement, un foyer (33) disposé sous la réserve ayant lui-même une grille
(11) située au-dessus d'un cendrier, caractérisé en ce qu'un brûleur gazéifieur (10)
selon les revendications 1 à 7 est disposé dans le foyer (33), au niveau de la grille,
généralement en son centre, et est adapté à mettre en communication une chambre de
détente (34) avec ledit foyer (33), tandis qu'un échangeur de chaleur (31) situé en
aval de la chambre de détente (34) est lui-même en communication avec une boite à
fumées 37).
14. Appareil de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 et 13,
caractérisé en ce que le brûleur gazéifieur (10) s'étend du voisinage de la façade
vers l'arrière de l'appareil jusqu'à la chambre de détente (34) de même que les embases
(20) en matériau réfractaire, et les tubes répartiteurs (22).
15. Appareil de chauffage tel que chaidère (30) utilisant un combustible solide du
genre comprenant un habillage, une réserve de combustible (32) solide avec une porte
pour son chargement, un foyer (33) disposé sous la réserve ayant lui-même une grille
(11) située au-dessus d'un cendrier, caractérisé en ce qu'un brûleur gazéifieur (120)
selon les revendications 1 et 8 à 12 et 14 est disposé latéralement au foyer (F),
ledit brûleur gazéifieur étant prolongé par une chambre de détente (121) et ces deux
organes étant surmontés par un collecteur inférieur (124A) d'un échangeur de chaleur
(124).