le brûleur fuel
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Le brucircleur fuel
bull Composants dun brucircleurbull La pompe fuel et leacutelectrovannebull
Le gicleurbull Le reacutechauffeur de fuel bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleurbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulant
Composants dun brucircleur
Le brucircleur fuel 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 eacutelectrodes 5 ventilateur 6 volute
7 deacuteflecteur 8 gicleur 9 reacutechauffeur 10 cellule photosensible 11 eacutelectrovanne12 pompe et reacutegulateur de pression
Le brucircleur fuel a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le fuel pour permettre la combustion
Lalimentation en air est assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant dela chaufferie
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Lalimentation en fuel est assureacutee par une pompe qui puise dans le reacuteservoirLa pompe a eacutegalement pour mission de maintenir via un reacutegulateur unepression suffisante au fuel pour permettre sa pulveacuterisation Leacutelectrovanne libegravere le combustible au moment deacutetermineacute par la programmation Le gicleur assure la pulveacuterisation du fuel en des milliards de gouttelettes et le reacuteglage dudeacutebit de fuel On parle donc de brucircleur agrave pulveacuterisation
Principe de fonctionnement dun brucircleur fuel
La pompe fuel et leacutelectrovanne
Lalimentation en fuel se fait via une pompe (le plus souvent une pompe agraveengrenage) relieacutee agrave larbre du moteur La pompe est eacutequipeacute dun reacutegulateurde pression qui renvoie lexcegraves de fuel vers le reacuteservoir
Pompe agrave fuel
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Reacutegulateur de pression La pression dalimentation du gicleur est assureacutee par un ressort deacutequilibrage Le surplus
de fuel est renvoyeacute vers le reacuteservoir par la sortie
Une ou plusieurs eacutelectrovannes permettent ensuite au gicleur decirctre alimenteacute
Electrovannes
1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partie
meacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension
(fermeacutee)
Electrovanne sous tension
(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par lebobinage sous tension attire le
noyau mobile qui porte le clapet
de fermeture
Le gicleur
La pulveacuterisation du fuel a pour objectif daugmenter la surface de contactentre le fuel et lair comburant Cela permet une eacutevaporation plus importantedu fuel agrave sa surface et favorise son meacutelange avec lair
Par exemple 1 litre de fuel pulveacuteriseacute agrave 7 bars donne 15 agrave 20 milliards degoutelettes et repreacutesente une surface de contact avec lair de 500 msup2
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Un gicleur est composeacute de 4 eacuteleacutements Lobus conique et la pression de la pompeengendre la rotation du combustible avent sa pulveacuterisation par le trou du corps de
gicleur
Un gicleur est caracteacuteriseacute par trois valeurs
bull le deacutebit nominal en [galh]bull langle de pulveacuterisation en [deg]bull le mode de pulveacuterisation
Ces donneacutees sont reprises dune part sur la fiche dentretien annuel du brucircleuret sur le marquage du gicleur mecircme
Le deacutebit
Le deacutebit nominal du gicleur est donneacute jusquagrave preacutesent en [galh]
Le deacutebit est fonction du diamegravetre de lorifice du corps Il est donneacute pour lesconditions de reacutefeacuterence
bull pression de la pompe 7 [bars]bull viscositeacute 44 [mmsup2s]bull
densiteacute relative 083 (rapport de la masse volumique du fuel (agrave15degC) et de la masse volumique de leau (agrave 4degC))
Sachant que
1 [galh] = 378 [litresh]
On peut connaicirctre le deacutebit reacuteel du gicleur installeacute et donc la puissance reacuteelledu brucircleur par les formules
Pbrucircleur [kW] = qfuel [litresh] x 10 [kWhlitre]
ougrave
bull q fuel = le deacutebit reacuteel du gicleur [litresh]bull q gicleur = deacutebit nominal du gicleur [galh]bull p = pression dalimentation du gicleur [bars]bull P brucircleur = puissance installeacutee du brucircleur [kW]
Conformeacutement agrave la norme europeacuteenne EN 293 le deacutebit nominal des gicleurs
sera deacutesormais donneacute en [kgh] pour une pression de 10 [bars] et une masse
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volumique de 840 [kgmsup3] Dans ce cas on peut connaicirctre le deacutebit reacuteel dugicleur par la formule
Attention cependant ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleursparticuliers dits agrave retour dont le deacutebit deacutepend non seulement de la pressiondalimentation mais aussi de la pression de refoulement du gicleur mecircme
Langle de pulveacuterisation
A la sortie du brucircleur les gouttelettes de fuel se reacutepartissent suivant un cocircneLangle douverture du cocircne est donneacute par le fabricant du gicleur
Les angles les plus courants sont
bull pour une pression dessai de 7 bars (meacutethode US) 30deg 45deg 60deg70deg 80deg 90degbull pour une pression dessai de 10 bars (norme EN) 60deg 70deg 80deg90deg 100deg
Langle de pulveacuterisation conditionne en partie la forme de la flamme Pluslangle est petit plus la flamme sera longue et effileacutee A linverse un angleimportant fournit une flamme courte mais large Notons quen pratiquelangle de pulveacuterisation augmente avec la pression dalimentation De mecircmelorsque la pression dalimentation augmente la taille des gouttelettesdiminue ce qui favorise le contact entre lair comburant et le combustible etdonc ameacuteliore la combustion
Composition du cocircne
En fonction de la puissance du brucircleur la composition du cocircne depulveacuterisation est diffeacuterente Le cocircne est geacuteneacuteralement creux (toutes lesgouttelettes sont reacuteparties sur la peacuteripheacuterie du cocircne) ou semi-plein (peacuteripheacuterieplus eacutepaisse) pour les grosses puissances (P gt 250 kW) Il est geacuteneacuteralementplein (tout le volume du cocircne est remplit de gouttelettes) pour les plus petitespuissances
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Lalimentation en fuel est assureacutee par une pompe qui puise dans le reacuteservoirLa pompe a eacutegalement pour mission de maintenir via un reacutegulateur unepression suffisante au fuel pour permettre sa pulveacuterisation Leacutelectrovanne libegravere le combustible au moment deacutetermineacute par la programmation Le gicleur assure la pulveacuterisation du fuel en des milliards de gouttelettes et le reacuteglage dudeacutebit de fuel On parle donc de brucircleur agrave pulveacuterisation
Principe de fonctionnement dun brucircleur fuel
La pompe fuel et leacutelectrovanne
Lalimentation en fuel se fait via une pompe (le plus souvent une pompe agraveengrenage) relieacutee agrave larbre du moteur La pompe est eacutequipeacute dun reacutegulateurde pression qui renvoie lexcegraves de fuel vers le reacuteservoir
Pompe agrave fuel
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Reacutegulateur de pression La pression dalimentation du gicleur est assureacutee par un ressort deacutequilibrage Le surplus
de fuel est renvoyeacute vers le reacuteservoir par la sortie
Une ou plusieurs eacutelectrovannes permettent ensuite au gicleur decirctre alimenteacute
Electrovannes
1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partie
meacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension
(fermeacutee)
Electrovanne sous tension
(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par lebobinage sous tension attire le
noyau mobile qui porte le clapet
de fermeture
Le gicleur
La pulveacuterisation du fuel a pour objectif daugmenter la surface de contactentre le fuel et lair comburant Cela permet une eacutevaporation plus importantedu fuel agrave sa surface et favorise son meacutelange avec lair
Par exemple 1 litre de fuel pulveacuteriseacute agrave 7 bars donne 15 agrave 20 milliards degoutelettes et repreacutesente une surface de contact avec lair de 500 msup2
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Un gicleur est composeacute de 4 eacuteleacutements Lobus conique et la pression de la pompeengendre la rotation du combustible avent sa pulveacuterisation par le trou du corps de
gicleur
Un gicleur est caracteacuteriseacute par trois valeurs
bull le deacutebit nominal en [galh]bull langle de pulveacuterisation en [deg]bull le mode de pulveacuterisation
Ces donneacutees sont reprises dune part sur la fiche dentretien annuel du brucircleuret sur le marquage du gicleur mecircme
Le deacutebit
Le deacutebit nominal du gicleur est donneacute jusquagrave preacutesent en [galh]
Le deacutebit est fonction du diamegravetre de lorifice du corps Il est donneacute pour lesconditions de reacutefeacuterence
bull pression de la pompe 7 [bars]bull viscositeacute 44 [mmsup2s]bull
densiteacute relative 083 (rapport de la masse volumique du fuel (agrave15degC) et de la masse volumique de leau (agrave 4degC))
Sachant que
1 [galh] = 378 [litresh]
On peut connaicirctre le deacutebit reacuteel du gicleur installeacute et donc la puissance reacuteelledu brucircleur par les formules
Pbrucircleur [kW] = qfuel [litresh] x 10 [kWhlitre]
ougrave
bull q fuel = le deacutebit reacuteel du gicleur [litresh]bull q gicleur = deacutebit nominal du gicleur [galh]bull p = pression dalimentation du gicleur [bars]bull P brucircleur = puissance installeacutee du brucircleur [kW]
Conformeacutement agrave la norme europeacuteenne EN 293 le deacutebit nominal des gicleurs
sera deacutesormais donneacute en [kgh] pour une pression de 10 [bars] et une masse
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volumique de 840 [kgmsup3] Dans ce cas on peut connaicirctre le deacutebit reacuteel dugicleur par la formule
Attention cependant ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleursparticuliers dits agrave retour dont le deacutebit deacutepend non seulement de la pressiondalimentation mais aussi de la pression de refoulement du gicleur mecircme
Langle de pulveacuterisation
A la sortie du brucircleur les gouttelettes de fuel se reacutepartissent suivant un cocircneLangle douverture du cocircne est donneacute par le fabricant du gicleur
Les angles les plus courants sont
bull pour une pression dessai de 7 bars (meacutethode US) 30deg 45deg 60deg70deg 80deg 90degbull pour une pression dessai de 10 bars (norme EN) 60deg 70deg 80deg90deg 100deg
Langle de pulveacuterisation conditionne en partie la forme de la flamme Pluslangle est petit plus la flamme sera longue et effileacutee A linverse un angleimportant fournit une flamme courte mais large Notons quen pratiquelangle de pulveacuterisation augmente avec la pression dalimentation De mecircmelorsque la pression dalimentation augmente la taille des gouttelettesdiminue ce qui favorise le contact entre lair comburant et le combustible etdonc ameacuteliore la combustion
Composition du cocircne
En fonction de la puissance du brucircleur la composition du cocircne depulveacuterisation est diffeacuterente Le cocircne est geacuteneacuteralement creux (toutes lesgouttelettes sont reacuteparties sur la peacuteripheacuterie du cocircne) ou semi-plein (peacuteripheacuterieplus eacutepaisse) pour les grosses puissances (P gt 250 kW) Il est geacuteneacuteralementplein (tout le volume du cocircne est remplit de gouttelettes) pour les plus petitespuissances
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Reacutegulateur de pression La pression dalimentation du gicleur est assureacutee par un ressort deacutequilibrage Le surplus
de fuel est renvoyeacute vers le reacuteservoir par la sortie
Une ou plusieurs eacutelectrovannes permettent ensuite au gicleur decirctre alimenteacute
Electrovannes
1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partie
meacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension
(fermeacutee)
Electrovanne sous tension
(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par lebobinage sous tension attire le
noyau mobile qui porte le clapet
de fermeture
Le gicleur
La pulveacuterisation du fuel a pour objectif daugmenter la surface de contactentre le fuel et lair comburant Cela permet une eacutevaporation plus importantedu fuel agrave sa surface et favorise son meacutelange avec lair
Par exemple 1 litre de fuel pulveacuteriseacute agrave 7 bars donne 15 agrave 20 milliards degoutelettes et repreacutesente une surface de contact avec lair de 500 msup2
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Un gicleur est composeacute de 4 eacuteleacutements Lobus conique et la pression de la pompeengendre la rotation du combustible avent sa pulveacuterisation par le trou du corps de
gicleur
Un gicleur est caracteacuteriseacute par trois valeurs
bull le deacutebit nominal en [galh]bull langle de pulveacuterisation en [deg]bull le mode de pulveacuterisation
Ces donneacutees sont reprises dune part sur la fiche dentretien annuel du brucircleuret sur le marquage du gicleur mecircme
Le deacutebit
Le deacutebit nominal du gicleur est donneacute jusquagrave preacutesent en [galh]
Le deacutebit est fonction du diamegravetre de lorifice du corps Il est donneacute pour lesconditions de reacutefeacuterence
bull pression de la pompe 7 [bars]bull viscositeacute 44 [mmsup2s]bull
densiteacute relative 083 (rapport de la masse volumique du fuel (agrave15degC) et de la masse volumique de leau (agrave 4degC))
Sachant que
1 [galh] = 378 [litresh]
On peut connaicirctre le deacutebit reacuteel du gicleur installeacute et donc la puissance reacuteelledu brucircleur par les formules
Pbrucircleur [kW] = qfuel [litresh] x 10 [kWhlitre]
ougrave
bull q fuel = le deacutebit reacuteel du gicleur [litresh]bull q gicleur = deacutebit nominal du gicleur [galh]bull p = pression dalimentation du gicleur [bars]bull P brucircleur = puissance installeacutee du brucircleur [kW]
Conformeacutement agrave la norme europeacuteenne EN 293 le deacutebit nominal des gicleurs
sera deacutesormais donneacute en [kgh] pour une pression de 10 [bars] et une masse
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volumique de 840 [kgmsup3] Dans ce cas on peut connaicirctre le deacutebit reacuteel dugicleur par la formule
Attention cependant ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleursparticuliers dits agrave retour dont le deacutebit deacutepend non seulement de la pressiondalimentation mais aussi de la pression de refoulement du gicleur mecircme
Langle de pulveacuterisation
A la sortie du brucircleur les gouttelettes de fuel se reacutepartissent suivant un cocircneLangle douverture du cocircne est donneacute par le fabricant du gicleur
Les angles les plus courants sont
bull pour une pression dessai de 7 bars (meacutethode US) 30deg 45deg 60deg70deg 80deg 90degbull pour une pression dessai de 10 bars (norme EN) 60deg 70deg 80deg90deg 100deg
Langle de pulveacuterisation conditionne en partie la forme de la flamme Pluslangle est petit plus la flamme sera longue et effileacutee A linverse un angleimportant fournit une flamme courte mais large Notons quen pratiquelangle de pulveacuterisation augmente avec la pression dalimentation De mecircmelorsque la pression dalimentation augmente la taille des gouttelettesdiminue ce qui favorise le contact entre lair comburant et le combustible etdonc ameacuteliore la combustion
Composition du cocircne
En fonction de la puissance du brucircleur la composition du cocircne depulveacuterisation est diffeacuterente Le cocircne est geacuteneacuteralement creux (toutes lesgouttelettes sont reacuteparties sur la peacuteripheacuterie du cocircne) ou semi-plein (peacuteripheacuterieplus eacutepaisse) pour les grosses puissances (P gt 250 kW) Il est geacuteneacuteralementplein (tout le volume du cocircne est remplit de gouttelettes) pour les plus petitespuissances
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Un gicleur est composeacute de 4 eacuteleacutements Lobus conique et la pression de la pompeengendre la rotation du combustible avent sa pulveacuterisation par le trou du corps de
gicleur
Un gicleur est caracteacuteriseacute par trois valeurs
bull le deacutebit nominal en [galh]bull langle de pulveacuterisation en [deg]bull le mode de pulveacuterisation
Ces donneacutees sont reprises dune part sur la fiche dentretien annuel du brucircleuret sur le marquage du gicleur mecircme
Le deacutebit
Le deacutebit nominal du gicleur est donneacute jusquagrave preacutesent en [galh]
Le deacutebit est fonction du diamegravetre de lorifice du corps Il est donneacute pour lesconditions de reacutefeacuterence
bull pression de la pompe 7 [bars]bull viscositeacute 44 [mmsup2s]bull
densiteacute relative 083 (rapport de la masse volumique du fuel (agrave15degC) et de la masse volumique de leau (agrave 4degC))
Sachant que
1 [galh] = 378 [litresh]
On peut connaicirctre le deacutebit reacuteel du gicleur installeacute et donc la puissance reacuteelledu brucircleur par les formules
Pbrucircleur [kW] = qfuel [litresh] x 10 [kWhlitre]
ougrave
bull q fuel = le deacutebit reacuteel du gicleur [litresh]bull q gicleur = deacutebit nominal du gicleur [galh]bull p = pression dalimentation du gicleur [bars]bull P brucircleur = puissance installeacutee du brucircleur [kW]
Conformeacutement agrave la norme europeacuteenne EN 293 le deacutebit nominal des gicleurs
sera deacutesormais donneacute en [kgh] pour une pression de 10 [bars] et une masse
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volumique de 840 [kgmsup3] Dans ce cas on peut connaicirctre le deacutebit reacuteel dugicleur par la formule
Attention cependant ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleursparticuliers dits agrave retour dont le deacutebit deacutepend non seulement de la pressiondalimentation mais aussi de la pression de refoulement du gicleur mecircme
Langle de pulveacuterisation
A la sortie du brucircleur les gouttelettes de fuel se reacutepartissent suivant un cocircneLangle douverture du cocircne est donneacute par le fabricant du gicleur
Les angles les plus courants sont
bull pour une pression dessai de 7 bars (meacutethode US) 30deg 45deg 60deg70deg 80deg 90degbull pour une pression dessai de 10 bars (norme EN) 60deg 70deg 80deg90deg 100deg
Langle de pulveacuterisation conditionne en partie la forme de la flamme Pluslangle est petit plus la flamme sera longue et effileacutee A linverse un angleimportant fournit une flamme courte mais large Notons quen pratiquelangle de pulveacuterisation augmente avec la pression dalimentation De mecircmelorsque la pression dalimentation augmente la taille des gouttelettesdiminue ce qui favorise le contact entre lair comburant et le combustible etdonc ameacuteliore la combustion
Composition du cocircne
En fonction de la puissance du brucircleur la composition du cocircne depulveacuterisation est diffeacuterente Le cocircne est geacuteneacuteralement creux (toutes lesgouttelettes sont reacuteparties sur la peacuteripheacuterie du cocircne) ou semi-plein (peacuteripheacuterieplus eacutepaisse) pour les grosses puissances (P gt 250 kW) Il est geacuteneacuteralementplein (tout le volume du cocircne est remplit de gouttelettes) pour les plus petitespuissances
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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volumique de 840 [kgmsup3] Dans ce cas on peut connaicirctre le deacutebit reacuteel dugicleur par la formule
Attention cependant ces formules ne fonctionnent pas pour les gicleursparticuliers dits agrave retour dont le deacutebit deacutepend non seulement de la pressiondalimentation mais aussi de la pression de refoulement du gicleur mecircme
Langle de pulveacuterisation
A la sortie du brucircleur les gouttelettes de fuel se reacutepartissent suivant un cocircneLangle douverture du cocircne est donneacute par le fabricant du gicleur
Les angles les plus courants sont
bull pour une pression dessai de 7 bars (meacutethode US) 30deg 45deg 60deg70deg 80deg 90degbull pour une pression dessai de 10 bars (norme EN) 60deg 70deg 80deg90deg 100deg
Langle de pulveacuterisation conditionne en partie la forme de la flamme Pluslangle est petit plus la flamme sera longue et effileacutee A linverse un angleimportant fournit une flamme courte mais large Notons quen pratiquelangle de pulveacuterisation augmente avec la pression dalimentation De mecircmelorsque la pression dalimentation augmente la taille des gouttelettesdiminue ce qui favorise le contact entre lair comburant et le combustible etdonc ameacuteliore la combustion
Composition du cocircne
En fonction de la puissance du brucircleur la composition du cocircne depulveacuterisation est diffeacuterente Le cocircne est geacuteneacuteralement creux (toutes lesgouttelettes sont reacuteparties sur la peacuteripheacuterie du cocircne) ou semi-plein (peacuteripheacuterieplus eacutepaisse) pour les grosses puissances (P gt 250 kW) Il est geacuteneacuteralementplein (tout le volume du cocircne est remplit de gouttelettes) pour les plus petitespuissances
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Reacutepartition
cocircne creux
Reacutepartition
cocircne semi-creux
Reacutepartition
cocircne plein
Marquage du gicleur
La norme EN293 preacutevoit un double marquage des gicleurs (marquage US etmarquage EN)
Lindex en chiffre romains indique le type de reacutepartition du cocircne pulveacuteriseacute
I = reacutepartition pleine (tregraves dense)II = reacutepartition semi-pleine
III = reacutepartition semi-creuseIV = reacutepartition creuse (peu dense)
Le reacutechauffeur de fuel
En augmentant la tempeacuterature du combustible avant sa pulveacuterisation lereacutechauffeur a pour objectif
bull de diminuer la viscositeacute du fuel et donc dameacuteliorer sa pulveacuterisationet donc sa combustion
bull datteacutenuer les variations de viscositeacute du fuel lieacutees agrave la tempeacuteraturede stockage et aux caracteacuteristiques du fuel acheteacute
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 125 msup3 dairpour brucircler 1 litre de fuel) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
Registre dair et son reacuteglage placeacutes sur le refoulement du ventilateur
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull Soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeture
bull Soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire des distances (a et b) entre
le gicleur le deacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement dubrucircleur en reacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre dudeacuteflecteur) et dair secondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie)
Seacutequences de deacutemarrage dun brucircleur
Les seacutequences de fonctionnement dun brucircleur sont les suivantes
bull Preacuteventilation ou preacutebalayage mise en marche du moteur duventilateur pour amorccedilage du tirage de la chemineacutee eacutevacuationeacuteventuelle de gaz dans le circuit des fumeacutees Pour les brucircleurs de plus de300 kW le preacutebalayage seffectue agrave laide du ventilateur et dure auminimum 15 secondes Pour les brucircleurs de moins de 300 kW lepreacutebalayage peut se faire par tirage naturel vers la chemineacutee avec unedureacutee minimale de 5 secondes
bull Preacuteallumage simultaneacutement mise sous tension du transformateur
bull Mise agrave feu quelques secondes apregraves ouverture de leacutelectrovanne
du fioul
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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bull Post-allumage pour permettre agrave la flamme de se stabiliserleacutetincelle est maintenue un court instant apregraves lapparition de la flamme
bull Reacutegime de fonctionnement apregraves lapparition de la flamme misehors tension du circuit dallumage
bull Arrecirct degraves satisfaction des besoins calorifiques arrecirct du brucircleur parmise hors tension du moteur du ventilateur et de leacutelectrovanne
Pour automatiser ces opeacuterations il faut un moyen fiable pour chronomeacutetrer ladureacutee des seacutequences qui doivent se reacutepeacuteter fidegravelement pendant des anneacuteesLes coffrets actuels comportent tous une peacuteriode de preacute et post-allumagePour les grosses puissances il y a en plus une preacuteventilation
Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicien
chargeacute du deacutepannage
Le but est deacuteviter de pulveacuteriser du fuel dans une chaudiegravere sans le brucircler Onrisquerait dinonder le foyer (et mecircme la chaufferie) et lallumage intempestif pourrait provoquer une explosion
Cellule photoreacutesistante
Actuellement la deacutetection de la flamme fuel se fait freacutequemment par cellulephotoreacutesistante La cellule photoreacutesistante reacuteagit directement agrave la lumiegravereeacutemise par la flamme Cette reacuteaction est pratiquement instantaneacutee ce quipermet une commande rapide du systegraveme de seacutecuriteacute La cellule estconstitueacutee par un semi-conducteur dont la reacutesistance varie en fonction inversede son eacuteclairement ce mateacuteriau a la proprieacuteteacute de ne permettre le passage ducourant que lorsquil est eacuteclaireacute Il est commode de veacuterifier lefficaciteacute dunetelle cellule par la mesure de sa reacutesistance dans lobscuriteacute et par exemple agravela lumiegravere dune lampe de poche En regravegle geacuteneacuterale les cellulesphotoreacutesistantes sont destineacutees agrave la surveillance des flammes fuel (flamme
jaune agrave infra-rouge) et moins agrave la surveillance des flammes gaz qui eacutemettentplus de rayons ultra-violets
Cellule photoeacutelectrique
La cellule photoeacutelectrique est sensible au rayonnement lumineux situeacute dans lespectre visible Lorsquelle est soumise agrave ce rayonnement une tension apparaicirctagrave ses bornes La cellule se comporte comme un geacuteneacuterateur de courant tout
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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incident annule le signal eacutemis et provoque la mise en seacutecuriteacute du brucircleur Lescellules photoeacutelectriques ne sont utiliseacutees que pour les flammes fuel Leurprincipal inconveacutenient est un vieillissement rapide
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO SO2 NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certaines
conditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils fonteacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pour
diminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette recirculation des gaz varie selonles constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce larecirculation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave recirculation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la recirculation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
bull la recirculation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne une gazeacuteification des particules de mazout pulveacuteriseacutees agrave hauteurdu gicleur La combustion de ce mazout gazeux forme une flamme bleuepeu intense et difficile agrave deacutetecter par une photoreacutesistance (LDR) Il estdegraves lors souvent neacutecessaire dutiliser un deacutetecteur infrarouge (IR) ouultraviolet (UV) plus oneacutereux Cette caracteacuteristique est pleinementexploiteacutee dans les brucircleurs dits agrave flamme bleue
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Brucircleurs Low Nox
La recirculation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La
recirculation peut eacutegalement ecirctre externe
Cas particulier des brucircleurs flamme bleue
Le brucircleur agrave flamme bleue est un brucircleur dans lequel le mazout pulveacuteriseacuteest entiegraverement vaporiseacute avant la combustion On parle aussi de brucircleur agravegazeacuteification La chaleur requise pour leacutevaporation est fournie par les gazde combustion recycleacutes Il en reacutesulte une combustion quasi totale dans laphase gazeuse avec un excegraves dair minime et une production nulle de suiesComme le mazout est brucircleacute agrave leacutetat gazeux la flamme de ce brucircleur preacutesentela couleur bleue typique dune flamme gaz cest pourquoi on parle de brucircleuragrave flamme bleue Le principe du brucircleur agrave flamme bleue et celui du brucircleurLow NOx agrave recirculation preacutesentent de nombreuses similitudes notammentune faible eacutemission de NOx
Au niveau du coucirct dun tel brucircleur donnons lexemple dun fabricantallemand Dans sa gamme de brucircleur allant de 15 agrave 315 kW le surcoucirct dunbrucircleur agrave flamme bleue par rapport agrave un brucircleur agrave flamme jaune varie de15 agrave 60
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Exemple de brucircleur agrave flamme bleue lair de combustion est achemineacute par deuxconduites lateacuterales et ameneacute au point de combustion via un mouvement tangentiel Lors
de la sortie de la forme conique il se produit un effet de tourbillon qui provoque larecirculation de 50 des gaz de combustion Deux canaux dameneacutees dair de
deacutemarrage envoient un leacuteger excegraves dair dans la flamme durant la premiegravere minute apregraves
lallumage jusquagrave ce que la partie frontale du gueulard du brucircleur ait atteint unetempeacuterature suffisante pour passer agrave la gazeacuteification
Flamme jaune et flamme bleue
Emission de NOx des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Emission de suies des brucircleurs flamme bleue et Low NOx compareacutee aux exigences desnorme et label allemands
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
On reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs fuel
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 kW Lors
de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleine puissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes le brucircleurdeacutemarre avec une puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance
apregraves le temps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de chocprovoqueacutee par lallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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reacuteglage du registre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produitavec un excegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage peut sappliquer aux brucircleurs de plus de 50 kW Ilrepose sur le mecircme principe que dans le cas preacuteceacutedent Il sen diffeacuterenciecependant par la reacuteduction plus important de la puissance au deacutemarrage Ilsagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas lechoix de lallure en fonction des besoins Le temps seacuteparant lallumage dupassage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relais programmable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf si
le reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Deux possibiliteacutes constructives sont exploiteacutees dans les brucircleurs 2 allures
bull Soit une pompe alimente deux gicleurs diffeacuterents via deuxeacutelectrovannes la petite allure est assureacutee par louverture duneeacutelectrovanne et lalimentation du premier gicleur pour assurer la grandeallure la deuxiegraveme eacutelectrovanne est activeacutee (la premiegravere restant ouverte)et alimente le second gicleur en compleacutement
bull Soit une pompe agrave deux eacutetages alimente un seul gicleur via deux
reacutegulateurs de pression
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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bull Soit un gicleur agrave retour (pour les grosses puissances) Il sagit enfait dun gicleur dont une partie du fuel qui lalimente nest pas pulveacuteriseacuteeet est renvoyeacutee vers la cuve Par un jeu de vanne automatique lareacutesistance du circuit retour du gicleur permet une variation du deacutebitpulveacuteriseacute
Brucircleur 2 allures avec gicleur agrave retour
- en petite allure les eacutelectrovannes (1) et (2) sont ouvertes La pression de pulveacuterisationest reacutegleacutee par le reacutegulateur de pression
- en grande allure leacutelectrovanne (2) est fermeacutee et le gicleur est soumis agrave la pression dela pompe
Brucircleur agrave deux gicleurs et deux eacutelectrovannes
Dans les diffeacuterents cas le registre dair est agrave deux positions fixeacutees
bull soit par un veacuterin hydraulique activeacute par la pression de combustiblebull soit un servomoteureacutelectriquebull soit un eacutelectro-aimant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et donc
les fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Le brucircleur tout ou peu progressif est eacutequipeacute dun gicleur agrave retour
Fonctionnement dun brucircleur tout ou peu progressif
- en petite allure leacutelectrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le reacutegulateur de pression est en position minimum
- lors du passage en deuxiegraveme allure le servomoteur actionne progressivement lereacutegulateur de pression et le registre dair pour atteindre le maximum douverture en
deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffagerequise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
Brucircleur modulant fuel
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce quilimite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants fuel ne peuvent descendre en dessousdune puissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doitfonctionner agrave haute tempeacuterature
Exemple
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants fuel (de 30 agrave 100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de
puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de la quantiteacute de particules decombustible et leur dispersion (la pulveacuterisation du fuel devient difficile)
imposent daugmenter l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement
diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustionconstante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave la
condensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue de
moitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmentedonc et le rendement chute
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Les brucircleurs gaz
bull Composants dun brucircleur agrave air pulseacutebull Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
bull Lalimentation en airbull La tecircte de combustionbull Dispositif de seacutecuriteacutebull Brucircleurs low NOxbull Brucircleurs 1 2 allures et modulantbull Cas particulier des brucircleurs atmospheacuteriques
Composants dun brucircleur agrave air pulseacute
Brucircleur gaz agrave air pulseacute 1 moteur 2 boicircte de controcircle 3 transformateur 4 pressostat mini air (brucircleur
1 allure) 5 pressostat mini air (brucircleur 2 allures) 6 eacutelectrodes 7 moteur volet dair8 eacutelectrovanne (2egraveme allure) 9 eacutelectrovanne de seacutecuriteacute 10 pressostat mini gaz
11 eacutelectrovanne (1egravere allure) 12 reacutegulateur de pression
Le brucircleur gaz a pour fonction de meacutelanger dans des proportions correcteslair comburant et le gaz pour permettre la combustion Lalimentation en airest assureacutee par un ventilateur qui puise lair ambiant de la chaufferie
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Lalimentation en gaz est assureacutee par une eacutelectrovanne et des reacutegulateurs depression
Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz agrave air pulseacute
Vannes gaz et reacuteglage du deacutebit
Electrovannes gaz 1 bobinage 2 armature concentrant le champ magneacutetique 3 noyau mobile
4 clapet de fermeture 5 siegravege du clapet 6 corps de vanne 7 ressort 8 partiemeacutetallique non conductrice de champ magneacutetique
Electrovanne hors tension(fermeacutee)
Electrovanne sous tension(ouverte)
Le Champ magneacutetique creacuteeacute par le
bobinage sous tension attire lenoyau mobile qui porte le clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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de fermeture
La pression dalimentation de gaz est constante le reacuteglage du deacutebit se faitpar eacutetranglement avant lentreacutee dans la tecircte du brucircleur
bull soit par un teacute de reacuteglage indeacutependant de la vanne gazbull soit par un boisseau incorporeacute agrave la vanne gazbull soit par un limitateur de deacuteplacement du clapet de la vanne gaz
Dans les brucircleurs agrave deux allures les eacutelectrovannes sont composeacutees de deuxbobinages et de deux noyaux mobiles
Il existe eacutegalement des vannes hydrauliques dont le clapet est manoeuvreacute parun piston agrave huile Lavantage de ce systegraveme est une ouverture plusprogressive lieacutee agrave la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide lieacutee agrave lapression du ressort plus importante que pour les eacutelectrovannes Un deacutemarrageplus lent peut ecirctre obtenu au moyen de deux vannes magneacutetiques monteacutees enparallegravele
Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit ledeacutemarrage du brucircleur si le clapet nest pas correctement fermeacute
La puissance du brucircleur
La puissance P du brucircleur deacutepend du deacutebit qgazde gaz Celui-ci peut ecirctremesureacute au niveau du compteur gaz
En premiegravere approximation en neacutegligeant linfluence de la pression et de la
tempeacuterature sur le deacutebit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gazdistribueacute on peut deacuteterminer la puissance du brucircleur par
P [kW] = qgaz [msup3min] x 60 [minh] x 10 [kWhmsup3]
Lalimentation en air
Lair neacutecessaire agrave la combustion est ameneacute dans le brucircleur au moyen dunventilateur centrifuge Ce ventilateur doit assurer le deacutebit dair neacutecessaire agrave lacombustion en vainquant la reacutesistance que rencontre lair jusquagrave la flamme lareacutesistance que rencontrent la flamme et les fumeacutees dans la chambre decombustion
Le ventilateur tournant agrave vitesse constante un registre dair permet de reacuteglerle deacutebit dair garantissant une combustion correcte (il faut 10 13 msup3 dairpour brucircler 1 msup3 de gaz) Ce registre peut ecirctre installeacute agrave laspiration ou aurefoulement du ventilateur
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Le reacuteglage manuel du registre dair dun brucircleur une allure se fait souvent au moyen dun secteur gradueacute
Pour limiter le balayage du foyer de la chaudiegravere lorsque le brucircleur est agravelarrecirct et donc leacutevacuation de sa chaleur par tirage naturel vers la chemineacuteeles fabricants preacutevoient sur les brucircleurs une fermeture automatique duregistre dair lorsque le brucircleur est agrave larrecirct
bull soit avec un servo-moteur eacutelectrique assurant louverture et lafermeturebull soit avec un contrepoids (qui peut ecirctre le propre poids du registre)ou un ressort Dans ce cas la deacutepression ouvre le registre et le flux dairle maintien en position ouverte
Dans les brucircleurs 2 allures la deacutetermination de la position du registre dairpeut par exemple ecirctre reacutegleacutee (systegraveme meacutecanique) au moyen de cames
La came bleue commande la fermeture totale agrave larrecirct
la came orange commande louverture en premiegravere allurela came rouge commande louverture en deuxiegraveme allurela came noire commande louverture de la vanne gaz de deuxiegraveme allure
Un disque repegravere situeacute en bout darbre permet de visualiser les diffeacuterentes positionsdouverture
Notons en outre que pour des raisons de seacutecuriteacute la pression dair estcontrocircleacutee en permanence avant la tecircte de combustion par un (brucircleur uneallure) ou deux pressostat (brucircleur 2 allures) En cas de deacutefaut le coffret decommande stoppe lalimentation de gaz
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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La tecircte de combustion
La tecircte de combustion du brucircleur est constitueacutee dun embout ou gueulard quiguide la flamme Celle-ci est allumeacutee au moyen deacutelectrodes alimenteacutees enhaute tension creacuteant un arc eacutelectrique
Exemple de deacuteflecteur
La flamme est maintenue en position gracircce au deacuteflecteur En effet le flux dairautour de ce dernier creacutee une deacutepression qui maintien la flamme en position
Tecircte de combustion dun brucircleur gaz
Les modegraveles de brucircleur gaz agrave air pulseacute se diffeacuterencient pas laforme de la tecircte de combustion On retrouve ainsi des tubesperceacutes de trous ou de fente des tubes agrave gaz des dispositifstourbillionneurs des accroche-flammes agrave fentes ou trous
Le reacuteglage de la tecircte de combustion cest-agrave-dire de la distance entre ledeacuteflecteur et lembout est essentiel au bon fonctionnement du brucircleur enreacutepartissant les deacutebits dair primaire (passant au centre du deacuteflecteur) et dairsecondaire (passant agrave la peacuteripheacuterie) Il sagit dobtenir une vitesse de meacutelangeaircombustible correcte Une vitesse trop importante entraicircne des difficulteacutesdallumage et daccrochage de la flamme Une vitesse trop lente provoque une
combustion oscillatoire Dans les 2 cas il y a des risques daccumulation degaz dans la chaudiegravere et donc dexplosion
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Dispositif de seacutecuriteacute
Un controcircle continu de la flamme du brucircleur est neacutecessaire pour arrecircter cedernier immeacutediatement en cas de deacutefaut
bull si la flamme napparaicirct pas quand le combustible est libeacutereacutebull si la flamme disparaicirct en cours de fonctionnementbull si une flamme parasite apparaicirct alors que le brucircleur est en phase dedeacutemarrage
De plus le deacutefaut doit ecirctre signaleacute par une alarme qui avertit un technicienchargeacute du deacutepannage Le but est deacuteviter dadmettre du gaz dans unechaudiegravere sans le brucircler Lallumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer
une explosion Comme eacuteleacutement de deacutetection de la flamme on utilise
bull un thermocouple sensible agrave la chaleur de la flamme (systegraveme dedeacutetection lent utiliseacute sur les chaudiegraveres atmospheacuteriques de moins de70 kW
bull un deacutetecteur infrarouge eacutegalement sensible agrave la chaleur de laflamme
bull une cellule UV qui eacutemet un signal eacutelectrique gracircce agrave lionisation dungaz contenu dans la cellule sous leffet des rayons UV eacutemis par lesflammes gaz
bull une sonde dionisation Cette sonde est sensible agrave la preacutesence dionset deacutelectrons dans toute flamme Il suffit degraves lors dessayer de fairepasser un courant dans la flamme Si le courant passe cest quil y a uneflamme
Brucircleurs low NOx
Les derniers deacuteveloppements en matiegravere de brucircleur ont principalement viseacute agravediminuer les eacutemissions polluantes comme les imbrucircleacutes CO NOx Lestechnologies appliqueacutees sont semblables pour les brucircleurs gaz ou les brucircleursfuel
Ideacutealement lors dune reacuteaction de combustion lazote N2 contenu dans laircomburant est rejeteacute tel quel sans ecirctre modifieacute Cependant sous certainesconditions il se combine avec loxygegravene pour former des NOx
Non seulement ceux-ci peuvent ecirctre directement toxiques pour la santeacute maiscontribuent agrave la formation dozone de smog et de pluies acides ils font
eacutegalement partie des gaz agrave effet de serre Leur eacutemission doit donc ecirctre reacuteduiteau minimum
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Exemples de regraveglements et de labels limitant la production de NO x des chaudiegraveres en
Allemagne et en Suisse
Les paramegravetres influenccedilant la production de NOx sont
bull la tempeacuterature eacuteleveacutee de la flamme (supeacuterieure agrave 1 200degC)bull lexcegraves dair cest-agrave-dire la preacutesence importante doxygegravene (O2)nayant pas reacuteagi dans les fumeacuteesbull le temps de seacutejour des atomes dazote (N) dans la zone chaude dela flammebull
la concentration du combustible en N2
Evolution de la production de NOx en fonction de la tempeacuterature de la flamme
Les deux premiers paramegravetres deacutependent de la conception du brucircleur letroisiegraveme deacutepend de la conception de la chaudiegravere
Pour les brucircleurs pulseacutes (fuel ou gaz) la technique la plus courante pourdiminuer les eacutemissions doxyde dazote est le recyclage des gaz de combustiondans la tecircte du brucircleur
En fait cela consiste agrave meacutelanger une partie des gaz de fumeacutee agrave laircomburant dans le but de
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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bull diminuer la tempeacuterature de la flamme car mecircme avec plusieurscentaines de degreacutes les gaz brucircleacutes sont plus froids que la flammebull reacuteduire la concentration en oxygegravene du meacutelangebull favoriser la vaporisation des combustibles liquides et de modifierfavorablement les conditions de combustion
La configuration aeacuteraulique pour reacutealiser cette re-circulation des gaz varieselon les constructeurs Dune maniegravere geacuteneacuterale cest limpulsion de lair decombustion en mouvement qui sert de force motrice au recyclage unpassage plus eacutetroit au niveau de la tecircte de combustion provoque uneacceacuteleacuteration du flux de gaz Cela geacutenegravere une deacutepression et amorce la re-circulation des gaz de combustion
On peut eacutegalement encore descendre la tempeacuterature de la flamme eneacutelargissant le front de flamme On recherche ainsi agrave avoir une flamme enforme dentonnoir ce qui augmente sa surface de refroidissement et doncdiminue sa tempeacuterature
Par rapport au brucircleur classique le brucircleur Low-NOx agrave re-circulation internedes gaz de combustion preacutesente les inconveacutenients suivants
bull la re-circulation demande de leacutenergie La comparaison entre unbrucircleur agrave pulveacuterisation traditionnel et un brucircleur Low NOx (le Ventilateuret la chambre de combustion eacutetant identiques) montre que la deacutepressionau niveau la tecircte du brucircleur Low NOx reacuteduit la puissance caloriquemaximale et modifie les caracteacuteristiques intrinsegraveques du brucircleur
bull la vitesse deacutecoulement eacuteleveacutee suscite des turbulences agrave hauteur duventuri Il peut en reacutesulter un accroissement du niveau sonore
bull la re-circulation des gaz de combustion dans la tecircte du brucircleurentraicircne un encrassement plus rapide des eacutelectrodes dallumage Unentretien preacuteventif est degraves lors neacutecessaire
En revanche un brucircleur Low-NOx produit de 20 agrave 50 deacutemissions NOx enmoins quun brucircleur traditionnel
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
582018 Le brucircleur fuel - slidepdfcom
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Brucircleurs Low Nox (ici en version fuel)
La re-circulation seffectue dans le foyer agrave hauteur de la tecircte de combustion Une zone dedeacutepression aspire agrave nouveau les gaz de combustion et les meacutelange agrave la flamme La re-
circulation peut eacutegalement ecirctre externe
Brucircleurs 1 2 allures et modulant
on reacutepertorie 4 modes de fonctionnement des brucircleurs gaz pulseacutes
bull en tout ou rienbull en 2 alluresbull en tout ou peu progressivementbull en modulation
Brucircleur tout ou rien
On parle de brucircleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur lebrucircleur senclenche fournit sa pleine puissance et sarrecircte lorsque les besoinssont satisfaits
Les brucircleurs tout ou rien se diffeacuterencient par leur mode de deacutemarrage
Deacutemarrage agrave pleine puissance
Ce type de brucircleur est utiliseacute pour les puissances infeacuterieures agrave 100 120 kWLors de la demande de chaleur le brucircleur deacutemarre directement agrave pleinepuissance
Deacutemarrage agrave deacutebit limiteacute
Lors dune demande de chaleur et gracircce agrave un jeu deacutelectrovannes (2 vannesmagneacutetiques ou bien dune seule vanne agrave 2 eacutetages) le brucircleur deacutemarre avecune puissance de lordre de 75 et passe agrave sa pleine puissance apregraves letemps de post-allumage Cela permet datteacutenuer londe de choc provoqueacutee parlallumage du combustible Comme dans ce type de brucircleur le reacuteglage duregistre dair est manuel la phase initiale du deacutemarrage se produit avec unexcegraves dair trop important et donc une combustion meacutediocre
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Deacutemarrage agrave petite allure
Ce mode de deacutemarrage repose sur le mecircme principe que dans le caspreacuteceacutedent Il sen diffeacuterencie cependant par la reacuteduction plus important de lapuissance au deacutemarrage Il sagit en fait de brucircleurs 2 allures mais dont lacommande ne permet pas le choix de lallure en fonction des besoins Letemps seacuteparant lallumage du passage agrave la deuxiegraveme allure est fixeacute (relaisprogrammable)
Brucircleur 2 allures
En cas de demande de chaleur le brucircleur est enclencheacute en premiegravere allure(qui repreacutesente entre 40 et 60 de la puissance nominale) Apregraves un deacutelaideacutetermineacute (relais programmable) le brucircleur passe agrave pleine puissance sauf sile reacutegulateur signale que cette pleine puissance nest pas neacutecessaire Dans cedernier cas la premiegravere allure est maintenue
Lorsque le brucircleur fonctionne en deuxiegraveme allure il est possible que lereacutegulateur estime que la pleine puissance nest plus requise et le brucircleurrepasse en premiegravere allure Si la puissance requise est infeacuterieure agrave lapuissance en allure reacuteduite le brucircleur sarrecircte Dans le cas inverse il repasseen deuxiegraveme allure
Brucircleur gaz 2 allures
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Brucircleur gaz modulant
Le brucircleur 2 allures preacutesentent des avantages eacutenergeacutetiques indeacuteniables
bull Ladaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de
fonctionnement du brucircleur et diminue le nombre de cycles dallumagesources dimbrucircleacutes et deacutemissions polluantes
bull Les temps darrecirct de la chaudiegraveres et donc les pertes du mecircme nomsont moindres
bull La diminution de la puissance du brucircleur par rapport agrave la puissancede la chaudiegravere augmente le rendement de combustion En effet la taillede leacutechangeur augmente par rapport agrave la puissance de la flamme et doncles fumeacutees sortent plus froides de la chaudiegravere Un gain de rendement decombustion de 2 25 est ainsi possible entre la petite allure (60 de la puissance nominale) et la grande allure
Brucircleur tout ou peu progressif
Le principe de fonctionnement de ce type de brucircleur est semblable agrave celui dunbrucircleur 2 allures Ce brucircleur ne permet que 2 allures Le passage de lapremiegravere agrave la deuxiegraveme allure nest cependant plus brutal mais progressif (enun temps minimum de 30 secondes)
Si la demande de chaleur est infeacuterieure agrave la puissance en premiegravere allure lebrucircleur se met agrave larrecirct Si elle y correspond le brucircleur maintien sonfonctionnement en premiegravere allure Si elle en est supeacuterieure le brucircleur passeprogressivement en deuxiegraveme allure
Brucircleur modulant
Avec un brucircleur modulant toutes les allures de fonctionnement sontpossibles au delagrave dun minimum souvent de lordre de 30 Les deacutebits dairet de fuel sont reacutegleacutes en continu en fonction de la puissance de chauffage
requise ce qui permet un fonctionnement quasi continu
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Brucircleur gaz modulant
Les avantages du brucircleur modulant sont du mecircme ordre que ceux du brucircleur2 allures Ladaptation de la puissance est cependant encore plus fine ce qui
limite encore les temps darrecirct dun brucircleur La modulation a cependant seslimites En effet agrave basse puissance le reacuteglage de lexcegraves dair devient difficileDe plus si la puissance du brucircleur diminue trop fortement des condensationsrisquent dapparaicirctre dans la chaudiegravere
Cest pourquoi les brucircleurs modulants traditionnels (utiliseacutes sur les chaudiegraveresqui ne sont pas agrave condensation) ne peuvent descendre en dessous dunepuissance de lordre de 30 et agrave ce moment la chaudiegravere doit le plussouvent fonctionner agrave haute tempeacuterature
Actuellement les fabricants de chaudiegraveres agrave condensation ont mis au pointpour leurs propres chaudiegraveres des brucircleurs gaz modulants pouvant moduler
leur puissance jusquagrave 10 de la puissance nominale Un meilleur controcircledes paramegravetres de la combustion leur permet en outre de maintenir unequaliteacute optimale du meacutelange gaz-air sur toute la plage de modulation
Exemple
Evolution du rendement de combustion des brucircleurs actuels en fonction de la
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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modulation de sa puissance
Pour les brucircleurs pulseacutes modulants traditionnels ( fuel ou gaz) (de 30 agrave
100 ) dans un premier temps lorsque la puissance du brucircleur diminue (agrave partir de 100 de puissance) la tempeacuterature des fumeacutees diminue et le
rendement augmente A partir dun certain moment la diminution de laquantiteacute de particules de combustible et leur dispersion imposent daugmenter
l excegraves dair pour eacuteviter les imbrucircleacutes Le rendement diminue de nouveau
Pour les nouveaux brucircleurs gaz modulant avec controcircle de la combustion le controcircle de la combustion permet de maintenir un excegraves dair correct sans production dimbrucircleacute sur toute la plage de modulation On obtient donc une
plage de modulation plus grande (10 agrave 100 ) avec une qualiteacute de combustion
constante et des fumeacutees qui se refroidissent de plus en plus (pour arriver agrave lacondensation)
Pour les brucircleurs gaz atmospheacuterique 2 allures (sans ventilateur) (50 100 ) lair de combustion est ameneacute dans la chaudiegravere naturellement
Lexcegraves dair nest donc pas controcircleacute Si la puissance du brucircleur diminue demoitieacute ce nest pas le cas de la quantiteacute dair aspireacutee Lexcegraves dair augmente
donc et le rendement chute
Exemple de nouveau brucircleur pulseacute modulant (10 agrave 100 ) la modulation se fait gracircce agrave un cylindre coulissant deacutecouvrant progressivement la tecircte de
combustion
Cas particulier des brucircleurs atmospheacuterique
Les brucircleurs atmospheacuteriques sont des brucircleurs gaz dans lesquels
lalimentation en air ne se fait pas par un ventilateur Lair est entraicircneacute dansun venturi par le jet de gaz au niveau dinjecteurs
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Principe de fonctionnement dun brucircleur gaz atmospheacuterique
Le reacutetreacutecissement dans le tube meacutelangeur augmente la vitesse du gaz Celacreacutee une deacutepression qui aspire une partie de lair comburant (appeleacutee airprimaire) et le meacutelange au gaz
Le meacutelange air primaire - gaz deacutebouche au niveau dune seacuterie de trous(circulaires pentes ) disposeacutes sur une ou plusieurs rampes
Lallumage du meacutelange se fait au moyen dune veilleuse ou dun systegravemeeacutelectrique (eacutetincelle ou eacutelectrode incandescente) Le compleacutement dairneacutecessaire agrave la combustion (appeleacute air secondaire) est aspireacute au niveau de laflamme par induction due agrave la force ascensionnelle
Electrode incandescente dallumage dun brucircleur atmospheacuterique
Dans ce type de brucircleur le pourcentage dair primaire varie de 40 agrave 50
Toutes les parties du brucircleurs (injecteurs tube de meacutelange rampes )doivent ecirctre adapteacutees les unes aux autres pour permettre une combustionstable sans deacutecrochement et sans retour de flamme Cest pourquoi lespossibiliteacutes de reacuteglage sur ce type de brucircleur sont nulles
Le gros avantage des chaudiegraveres eacutequipeacutees dun brucircleur atmospheacuterique(puissance jusquagrave 1 MW) est la simpliciteacute du systegraveme Les gros deacutesavantagessont
bull labsence de fermeture automatique du foyer agrave larrecirct du brucircleur Ilen reacutesulte des pertes agrave larrecirct importantes pour les chaudiegraveres
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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bull lexcegraves dair trop important provoquant un mauvais rendement decombustionbull une production importante de NOx
Brucircleurs agrave preacutemeacutelange
Pour eacuteviter les imbrucircleacutes et la production de CO les brucircleurs atmospheacuteriquesdoivent fonctionner avec un excegraves dair important Il en reacutesulte une productionimportante de NOx
Leacutevolution technologique de ces brucircleurs conduit agrave ce quon appelle lesbrucircleurs agrave preacutemeacutelange Dans ces brucircleurs lair est entiegraverement meacutelangeacute augaz dans une chambre de preacutemeacutelange avec ou sans laide dun ventilateur Lemeacutelange est alors reacuteparti sur une surface daccrochage (par exemple entreillis meacutetallique) ougrave se deacuteveloppe la flamme
Brucircleur agrave preacutemeacutelange sans ventilateur
Chaudiegravere gaz avec brucircleur agrave preacutemeacutelange total sans ventilateur
Cette technique de brucircleur permet daffiner le dosage entre lair et le gaz etdonc de diminuer lexcegraves dair De plus la surface daccrochage peut ecirctre
eacutetudieacutee pour augmenter la surface des flammes et diminuer leur longueur Il
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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en reacutesulte une augmentation du rendement de combustion et une diminutiondes eacutemissions polluantes (NOx)
Flamme dun brucircleur atmospheacuterique agrave preacutemeacutelange en forme de tregravefle
Brucircleurs radiants ou rayonnants
Les brucircleurs rayonnants ou radiants vont encore plus loin dans loptimalisationdes eacutemissions Le but est de reacuteduire au maximum la tempeacuterature de laflamme Si la surface daccrochage de la flamme est en mateacuteriau reacutefractaire(ceacuteramique ou acier inoxydable reacutefractaire) elle va absorber une partie de lachaleur de reacuteaction et la restituer par rayonnement au foyer La tempeacuterature
de combustion sen trouve abaisseacutee sous 1 200 degC ce qui reacuteduit fortement laproduction doxydes dazote (NOx lt 15 mgkWh)
Exemple
Une application de cette technologie est le brucircleur heacutemispheacuteriqueradiant Il est composeacute dune grille en forme de demi sphegravere Lagrille est en acier inoxydable speacutecial reacutefractaire Elle rougeoie et recegravede sa chaleur par rayonnement
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet
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Brucircleur heacutemispheacuterique radiant (existe aussi en version plane) le meacutelangeair-gaz reacutepartit sur la surface de combustion avec une vitesse tregraves faible
puisque cette surface est nettement plus importante que pour les brucircleurs
atmospheacuteriques traditionnels Le meacutelange brucircle alors directement
pratiquement sans flamme visible et cegravede une partie de sa chaleur directement agrave leacuteleacutement reacutefractaire
Notons que ces brucircleurs existent aussi avec un ventilateur qui assurelalimentation en air ce qui pourrait les classer dans la cateacutegorie des brucircleursagrave air pulseacute La preacutesence du ventilateur permet
bull dameacuteliorer le meacutelange airgazbull de vaincre les pertes de charge des brucircleurs et des foyers dontleacutechange est optimiseacute (notamment pour les chaudiegraveres agrave condensation)bull de moduler la puissance du brucircleur en faisant varier la vitesse duventilateur ou en freinant le meacutelange airgaz par un clapet