EP0269488B1 - Brûleur à gaz à prémélange et à contrôle de flamme - Google Patents

Brûleur à gaz à prémélange et à contrôle de flamme Download PDF

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EP0269488B1
EP0269488B1 EP87402426A EP87402426A EP0269488B1 EP 0269488 B1 EP0269488 B1 EP 0269488B1 EP 87402426 A EP87402426 A EP 87402426A EP 87402426 A EP87402426 A EP 87402426A EP 0269488 B1 EP0269488 B1 EP 0269488B1
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burner
flame
grille
electrode
combustion chamber
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François Cagnon
Denis Di Paola
Georges Austruy
André Vinchon
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Engie SA
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Gaz de France SA
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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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks

Definitions

  • the invention relates to a gas burner of the premix and flame control type.
  • This category of burner is in common industrial use.
  • the gas burner of the invention which is intended to be used on a compact submerged tube, comprises an inlet for premixture of air and combustible gas opening into a distribution chamber which communicates, through a metal stabilizing grid of flame sensitive to thermal stresses, with a combustion chamber where the premix is ignited by means of an ignition electrode which is mounted through the metal flame stabilization grid, said burner also being equipped with a control means of flames.
  • Another means of controlling the operating conditions and combustion of the flame has already been envisaged and is used. It consists of the provision of an ionization electrode placed at the level of the combustion chamber.
  • Such an electrode placed in the space where the flame must develop in normal operating condition, makes it possible to detect the actual combustion conditions and to effectively control the position of this flame. It thus allows the burner to be stopped in the event of excessive instability or an abnormal flame position.
  • the water heater burners have only a low heating power.
  • the thermal stress problems are therefore not comparable.
  • the problems of flame instability resulting from large pressure fluctuations caused by the combustion of a high power flame in a compact medium do not exist.
  • the ionization electrode when it was provided, likewise elsewhere than the ignition electrode, were arranged so that their body and their head, connected to the electrical supply, were placed away from the flow of the gas mixture; only their donut point in the mixture.
  • the invention plans to use on the gas burner of the type with premix and flame control, mentioned at the beginning of the text, and as flame control means, an ionization electrode mounted through the metal grate of the burner and having a suitably insulated tip extending straight into the chamber combustion.
  • the burner identified as a whole 1 essentially comprises a distribution chamber 2 into which arrives, by a supply line 3, the air / combustible gas premix advantageously opening into the chamber 2 by a substantially radial opening 4.
  • the chamber 2 which has the general shape of a cylindrical box with a substantially circular section is closed, on its front face, by a metal flame stabilization grid 5.
  • This grid which is therefore relatively sensitive thermal constraints (compared to ceramic plates) in certain operating conditions of the burner can in particular be of the type described in the above-mentioned French application n, 83 09468. More specifically, it will include orifices of suitable diameter and distribution to ensure good attachment and good stabilization of the flames at the entrance to the combustion chamber 6, and this for the considered operating powers of the burner.
  • the box forming the distribution chamber 2 is closed by a wall 7.
  • the letters "front” and “rear” of the burner have been identified by the letters AV and AR, with reference to the circulation of the fuel mixture in the burner as shown by the arrows.
  • the ignition of the burner is ensured by an electrode 8 supplied with high voltage suitable as shematized at 9 and suitably isolated, the ignition being effected by sparks between the bent tip 10 ′ of the ignition electrode and the wall adjacent to the grid 5 or the metal front flange 11 on which the grid 5 is fixed and which is grounded to the box forming the distribution chamber 2.
  • an ionization electrode 12 is also provided, also supplied under suitable voltage as shown in diagram 10 and suitably isolated, the flame development conditions being detected between the tip 13 of the electrode 12 and the neighboring mass of the grid 5.
  • the tip 13 of the ionization electrode 12 is, as illustrated, substantially straight and directed substantially parallel to the direction of flow of the gas mixture.
  • the two electrodes 8 and 12 are mounted, also substantially parallel to the direction of flow of the fuel mixture, so as to pass through the flame stabilization grid 5 towards the central part thereof and with their respective points 10 and 13 s extending into the combustion chamber.
  • the electric power cables 9 and 10 of the electrodes extend, as illustrated, in the distribution chamber 2 and pass through the wall of the latter, sealingly at the operating pressures considered, at 14 and 15. Sealing can in particular be ensured by cable glands.
  • the burner is supplied with combustible gas via a pipe 16, the premix being thus delivered to the pipe 3 under substantially stoichiometric conditions.
  • the air necessary for combustion is supplied by a fan or compressor 17 which supplies the main air duct 18.
  • the fan is supplied with electrical energy by 24.
  • the burner described above makes it possible to equip installations with immersed tubes (or more generally with a combustion chamber immersable in the liquid 19 to be heated) of particularly compact construction.
  • the shutdown of the burner is controlled by the ionization electrode 12 as soon as the latter detects an absence of flame.

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Description

  • L'invention concerne un brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme.
  • Cette catégorie de brûleur est d'utilisation industrielle courante.
  • Plus précisément, le brûleur à gaz de l'invention qui est destiné à être utilisé sur un tube immergé compact, comprend une arrivée de prémélange d'air et gaz combustible débouchant dans une chambre de répartition qui communique, à travers une grille métallique de stabilisation de flammes sensible aux contraintes thermiques, avec une chambre de combustion où le prémélange est enflammé au moyen d'une electrode d'allumage qui est montée à travers la grille métallique de stabilisation de flammes, ledit brûleur étant également équipé d'un moyen de contrôle de flammes.
  • Un tel brûleur est notamment décrit dans la demande FR-A 2 547 394 (enregistrement n° 8 909 468 du 8 Juin 1983).
  • Les domaines industriels auxquels s'appliquent le brûleur objet de cette demande et le brûleur de l'invention sont voisins. Les problèmes spécifiques rencontrés sont comparables.
  • Dans la demande précédente en question, on pé- voyait de contrôler les conditions de fonctionnement ou de combustion de la flamme au moyen d'une cellule de contrôle sensible au rayonnement ultraviolet. Cette cellule était disposée vers le fond d'un embout qui s'étendait, par rapport à la direction d'écoulement du mélange gazeux, à l'arrière de la chambre de répartition. Un faible débit d'air débouchant dans l'embout assurait un refroidissement complémentaire de la cellule. De cette façon, la cellule de contrôle de la flamme était soustraite aux contraintes thermiques particulièrement élevées dans ce type de brûleur travaillant en milieu immergé avec une chambre de combustion compacte.
  • Cependant, un tel contrôle de flammes par une cellule ainsi disposée peut, dans certains cas, ne pas être approprié.
  • Des problèmes peuvent se poser, en particulier en cas de retour de flamme, c'est-à-dire dans le cas où, suite notamment à des instabilités de flamme consécutives à des fluctuations de pression, la flamme, au lieu de brûler dans la chambre de combustion, se développe accidentellement dans la chambre de répartition. En effet, la position occupée par la cellule, en arrière de la chambre de répartition, lui permet de continuer à observer l'existence de la flamme et donc à autoriser le fonctionnement normal du brûleur, sans détecter la position anormale de cette flamme dans la chambre de répartition, ce qui peut entraîner des contraintes thermiques excessives pouvant conduire à la destruction de la grille de stabilisation de flamme, endommageant par là même le brûleur.
  • En outre, la nécessaire protection thermique que l'on doit assurer à la cellule de contrôle, en liaison avec la compacité du brûleur, requiert, en général, une conception du brûleur assez complexe, pouvant entraîner des surcoûts de fabrication et des problèmes de standardisation.
  • Un autre moyen de contrôle des conditions de fonctionnement et de combustion de la flamme a déjà été envisagé et est utilisé. Il consiste en la prévision d'une électrode d'ionisation mise en place au niveau de la chambre de combustion.
  • Une telle électrode, disposée dans l'espace où doit se développer la flamme en condition normale de fonctionnement, permet de détecter les conditions réelles de combustion et de contrôler effectivement la position de cette flamme. Elle permet ainsi de commander l'arrêt du brûleur en cas d'instabilité excessive ou de position anormale de la flamme.
  • Cependant, il est à noter que ce type de contrôle par électrode d'ionisation était jusqu'à présent utilisé sur des brûleurs (brûleurs à plaquette céramique, brûleurs de chauffe-eau) présentant des conditions de fonctionnement tout à fait différentes de celles du brûleur à prémélange et à grille de stabilisation de flamme de l'invention.
  • Les brûleurs de chauffe-eau n'ont qu'une faible puissance de chauffe. Les problèmes de contraintes thermiques ne sont donc pas comparables. Les problèmes d'instabilité de flamme consécutifs à de fortes fluctuations de pression engendrées par la combustion d'une flamme de forte puissance en milieu compact, n'existent pas.
  • Dans les brûleurs à plaquette céramique, la flamme est "rentrante" et se développe das la plaquette. Les conditions de fonctionnement et le domaine d'application sont là encore différentes de celles du brûleur de l'invention.
  • On remarquera, par ailleurs, que de façon à éviter d'interférer avec l'écoulement du mélange gazeux et à ne pas perturber les conditions de fonctionnement du brûleur, l'électrode d'ionisation, lorsqu'elle était prévue, de même d'ailleurs que l'électrode d'allumage, étaient disposées de façon que leur corps et leur tête reliée à l'alimentation électrique soient placées à l'écart de l'écoulement du mélange gazeux ; seule leur pointe beignant dans le mélange.
  • Au contraire, dans l'invention, et de façon surprenante, on s'est aperçu que prévoir l'électrode d'ionisation et l'électrode d'allumage directement au sein du mélange gazeux sur la grille de stabilisation de flamme d'un brûleur dans lequel les problèmes d'instabilité de flamme sont particulièrement délicats à résoudre, n'entraînant aucune perturbation pouvant nuire au bon fonctionnement du brûleur.
  • C'est pourquoi, compte-tenu des nombreux avantages offerts au niveau du contrôle de la flamme par l'électrode d'ionisation, et qui ont été rappelés ci-avant, l'invention prévoit d'utiliser sur le brûleur à gaz du type à prémélange et à contrôle de flamme, mentionné en début de texte, et en tant que moyen de contrôle de flammes, une électrode d'ionisation montée à travers la grille métallique du brûleur et comportant une pointe convenablement isolée s'étendant droite dans la chambre de combustion.
  • De cette façon, on va pouvoir assurer un bon contrôle de la position et des conditions de combus- fion de la flamme, permettant d'éviter notamment toute extinction intempestive du brûleur en cours de combustion et tout endommagement de celui-ci consécutif à une instabilité ou à un retour de flammes.
  • L'invention, ses caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • - la figure 1 montre, de façon schématique, un brûleur à gaz conforme à l'invention, et
    • - la figure 2 illustre à plus petite échelle un schéma de montage du brûleur.
  • En se reportant, tout d'abord à la figure 1, le brûleur repéré dans son ensemble 1 comporte essentiellement une chambre 2 de répartition dans laquelle arrive, par une conduite 3 d'alimentation, le prémélange air/gaz combustible débouchant avantageusement dans la chambre 2 par une ouverture sensiblement radiale 4. La chambre 2 qui a la forme générale d'un caisson cylindrique à section sensiblement circulaire est obturée, sur sa face avant, par une grille métallique de stabilisation de flammes 5. Cette grille qui est donc relativement sensible aux contraintes thermiques (comparée aux plaquettes céramiques) dans certaines conditions de fonctionnement du brûleur peut en particulier être du type décrit à la demande française sus-mentionnée n, 83 09468. De façon plus spécifique, elle comportera des orifices de diamètre et de répartition convenables pour assurer un bon accrochage et une bonne stabilisation des flammes à l'entrée de la chambre de combustion 6, et ce pour les puissances considérées de fonctionnement du brûleur.
  • Sur sa face arrière, le caisson formant la chambre de répartition 2 est fermée par une paroi 7. Sur la figure 1 on a repéré par les lettre AV et AR le côté respectivement "avant" et "arrière" du brûleur, en faisant référence à la circulation du mélange combustible dans la brûleur tel que shématisé par les flèches.
  • Tel qu'illustré, l'allumage du brûleur est assuré par une électrode 8 alimentée sous haute tension convenable comme shématisé en 9 et convenablement isolée, l'allumage s'effectuant par étincelles entre la pointe recourbée 10' de l'électrode d'allumage et la paroi voisine de la grille 5 ou du flasque avant 11 métallique sur laquelle est fixée la grille 5 et qui est mise à la masse du caisson formant la chambre de répartition 2.
  • Pour contrôler le bon fonctionnement du brûleur, c'est à dire en particulier les conditions de combustion de la flamme qui se développe dans la chambre de combustion, ainsi que la position de cette flamme, on a prévu une électrode d'ionisation 12 également alimentée sous tension convenable comme schématisé en 10 et convenablement isolée, la detection des conditions de développement de la flamme s'effectuant entre la pointe 13 de l'électrode 12 et la masse voisine de la grille 5.
  • La pointe 13 de l'électrode d'ionisation 12 est, telle qu'illustrée, sensiblement droite et dirigée sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange gazeux.
  • Les deux électrodes 8 et 12 sont montées, également sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange combustible, de façon à traverser la grille 5 de stabilisation de flammes vers la partie centrale de celle-ci et avec leurs pointes respectives 10 et 13 s'étendant dans la chambre de combustion. Les cables d'alimentation électriques 9 et 10 des électrodes s'étendent, tel qu'illustré, dans la chambre de répartition 2 et traversent, de façon étanche aux pressions de fonctionnement considérées, la paroi de celle-ci respecvement en 14 et 15. L'étanchéité peut notamment être assurée par des presse-étoupes.
  • Vers l'arrière de la chambre de répartition 2, vers le fond d'un embout 22 débouchant dans cette chambre, apparaît un voyant 23 de contrôle visuel de la flamme. On notera que le voyant 15 est disposé de façon tout à fait appropriée et bien protégé des contraintes thermiques.
  • En se référant maintenant à la figure 2, on voit que le brûleur est alimenté en gaz combustible par une conduite 16, le prémélange étant ainsi délivré au conduit 3 dans des conditions sensiblement stoe- chiométriques. L'air nécessaire à la combustion est délivré par un ventilateur ou compresseur 17 qui alimente le conduit d'air principal 18. Le ventilateur est alimenté en énergie électrique par 24.
  • Tel qu'illustré sur cette figure 2, on notera que le brûleur décrit ci-dessus permet d'équiper des installations de tubes immergés (ou plus généralement à chambre de combustion immergeable dans le liquide 19 à chauffer) de construction particulièrement compacte.
  • En 20 à la figure 2 est illustré le tube immergé dans lequel débouchent les produits de combustion s'échappant de la chambre de combustion 6 vers la sortie 21 des fumées.
  • Sur les figures schématiques on n'a pas représenté les organes de mise en marche/arrêt du brûleur.
  • Cependant, comme on le comprend, l'arrêt du brûleur est commandé par l'électrode d'ionisation 12 dès que celle-ci détecte une absence de flamme .

Claims (4)

1. Brûleur à gaz pour tube immergé compact, comprenant une arrivée de prémélange d'air et de gaz combustible débouchant dans une chambre de répartition (2 ) qui communique, à travers une grille (5) métallique de stabilisation de flammes sensible aux contraintes thermiques, avec une chambre de combustion (6) où le prémélange est enflammé au moyen d'une électrode d'allumage (8) qui est montée à travers la grille métallique de stabilisation de flammes, ledit brûleur étant également équipé d'un moyen (12) de contrôle de flammes, ce brûleur se caractérisant en que qu'il comprend, en tant que moyen de contrôle de flammes, une électrode d'ionisation (12) montée à travers la grille métallique (5) et comportant une pointe convenablement isolée s'étendant droite dans la chambre de combustion (6).
2. Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrode d'allumage (8) comporte une pointe (10') convenablement isolée qui s'étend dans la chambre de combustion (6) en étant recourbée en direction de la grille (5).
3. Brûleur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes d'allumage (8) et d'ionisation (12) sont montées vers la partie centrale de la grille (5) de stabilisation de flammes, sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement du mélange gazeux combustible qui circule de la chambre de répartition (2) vers la chambre de combustion (6).
4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que lesdites électrodes d'allumage (8) et d'ionisation (13) sont reliées chacune par leur tête à un câble (9, 10) d'alimentation électrique adaptée traversant la chambre de répartition (2).
EP87402426A 1986-11-07 1987-10-27 Brûleur à gaz à prémélange et à contrôle de flamme Expired - Lifetime EP0269488B1 (fr)

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