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Electrobruleur à gaz à apport d'énergle ~lectrique et
amorçage assisté
L'invention concerne les br~leurs à gaz à apport
5 d'énergie électrique, du type comprenant un dispositif
d'injection de gaz combustible dans l'axe de moyens
annulaires d'amenée fournissant un courant d'air en
rotation et comprenant une électrode amont et une
contre-électrode reliées par l'intermédiaire d'une
10 source principale de courant, placées dans un ouvreau de
réception de gaz de combustion, l'électrode amont étant
placée suivant l'axe des moyens annulaires et étant
destinée à créer un arc d'apport d'énergie à travers la
flamme du bruleur.
Un tel électrobruleur est décrit dans le brevet FR
n 2 577 304 (Electricité de France et Stein Heurtey)
délivré le ler décembre 1989. Il peut etre réalisé en
n'apportant que des modifications de structure limitée à
la constitution d'un brûleur à gaz traditionnel. Il
20 comporte, en plus du bruleur modifié, des moyens placés
sur le dispositif d'injection de gaz, incluant notamment
un injecteur-tuyère formant électrode, et un générateur
haute tension permettant de créer un effluve entre une
électrode centrale, reliée à l'électrode amont, et
25 l'injecteur-tuyère dans lequel le gaz atteint une
vitesse supersonique.
Si cette constitution donne des résultats
satisfaisants, elle est en contrepartie complexe.
L'invention vise notamment à simplifier la constitution
30 matérielle du bruleur et également celle de ses circuits
d'alimentation électrique.
Dans ce but, l'invention propose notamment un
bruleur à gaz du type ci-dessus défini, caractérisé en
ce qu'il comporte un déflecteur placé sur le trajet du
35 courant d'air, à proximité de l'électrode amont, et des
moyens permettant d'établir une tension d'amorçage d'arc
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entre l'électrode amont et le déflecteur.
Cette disposition permet de supprimer
l'in~ecteur-tuyère du dispositif suivant le document
FR-A-2 577 304.
Pour réduire la tension d'amorçage, le déflec-
teur est avantageusement constitué par un disque conduc-
teur ayant une surface placée en regard de l'électrode
amont et à une distance de cette dernière comprise entre
1 et 3 mm. Il suffit alors d'une tension de quelques
milliers de Volts pour provoquer l'ionisation et amorcer
la décharge. Ce système permet d'amorcer l'allumage de
gaz avec l'air de combustion.
Une électrode relais, ou plusieurs, peuvent être
prévues entre le déflecteur, constituant électrode
d'amorçage, et la contre-électrode sur laquelle doit
s'accrocher la décharge en régime permanent, pour
faciliter le passage de l'arc de l'un à l'autre.
L'électrode relais (ou chaque électrode relais) peut
être constituée par une protubérance métallique portée
par la paroi de l'ouvreau et portée au même potentiel
que la contre-électrode.
La source principale de courant, capable de
fournir une haute intensité sous tension relativement
faible, est avantageusement une source principale de
courant continu placée en série avec une source auxi-
liaire d'alimentation, fournissant une tension élevée à
vide, mais ne fournissant plus qu'une tension très
faible lorsqu'elle est parcourue par un courant impor-
tant. La source principale et la source auxiliaire sont
placées en série dans un circuit qui se referme, d'une
part, par l'électrode amont, d'autre part, par le
déflecteur (éventuellement par l'intermédiaire d'une
résistance de limitation de courant) et par la contre-
électrode.
Cette disposition présente, entre autres avan-
tages, celui d'assurer la stabilité de l'arc en régime
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permanent, toute dimlnutlon lmportante du courant se
tradulsant par une remontée de la tension fournie par la
source d'alimentatlon auxllialre ; cette source auxl-
llalre peut cependant être coupée si la stabilité de
l'arc est sufflsante, ce qul permet de réduire la
puiss~nce réactive de l'ensemble.
Dans une varlante de réallsatlon, la contre-
électrode placée en aval est moblle ; on peut ainsi
démarrer à partlr d'un court-circuit entre les deux
électrodes. Cette disposition permet d'aller encore plus
loin dans la simplification du système, par suppression
de l'alimentation auxlllaire de démarrage et des
électrodes relais.
Les deux électrodes (notamment l'électrode
amont) sont avantageusement munies d'aimants et de
culasses en matériau ferro-magnétique de retour de flux,
suivant une disposition qui crée un champ magnétique
provoquant la rotation de l'arc, ce qui rend l'usure des
électrodes plus régulière.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui suit d'un mode particulier de réali-
sation et de variantes, donnés à titre d'exemples non
limitifs. La description se réfère aux dessins qui
l'accompagnent, dans lesquels :
- la Figure 1 est un schéma simplifié d'un
brûleur suivant un mode de réalisation de l'invention,
en coupe suivant un plan passant par son axe ;
- la Figure 2 est une vue en perspective
destinée à faire apparaitre la disposition relative des
composants du brûleur de la Figure 1 ;
- la Figure 3 est un diagramme montrant la
variation de l'intensité du courant d'arc Iarc et de la
tension d'arc Varc en fonction du temps, dans des
conditions de fonctionnement représentatives de
perturbations ;
- les Figures 4 et 5 sont des schémas montrant
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des dispositions possibles d'aimants de création d'un
champ magnétique de maintien en déplacement du pied
d'arc, dans une électrode du brûleur montré en Figures 1
et 2 ;
- la Figure 6 est une vue de détail à grande
échelle de l'ensemble déflecteur-électrode amont du
brûleur de la Figure 1, en coupe suivant un plan passant
par l'axe ;
- la Figure 7 est une vue éclatée, en perspec-
tive, de la bague isolante de la Figure 6 et de ses
moyens de fixation ;
- la Figure 8, similaire a une fraction de la
Figure 1, montre une variante de réalisation.
Le brûleur montré schématiquement en Figures 1
et 2 comporte un dispositif d'injection de gaz 4 placé
dans l'axe de moyens annulaires d'~renée d'air de
combustion et muni d'un conduit d'amenée 9. Les moyens
annulaires comprennent un corps 6 qui porte des buses 10
d'amenée tangentielle d'air de combustion, imposant à
cet air un mouvement de rotation autour de l'axe du
dispositif d'injection 4. Le corps 6 se raccorde a un
ouvreau 8, généralement en matériau réfractaire, qui
délimite une chambre de combustion où se développe la
flamme. Cet ouvreau présente une forme intérieure
évasée, par exemple tronconique, qui canalise les
courants gazeux et favorise les mélanges.
Le dispositif 4 d'injection de gaz comporte, à
son extrémité aval, un déflecteur 14 en forme de disque
présentant un diamètre voisin de celui du noyau de
recirculation de l'écoulement d'air tourbillonnaire
induit par les buses 10. Le déflecteur 14 a pour
fonction d'arrêter les remontées de gaz chaud autour du
dispositif d'injection et de stabiliser les courants de
gaz a la sortie du dispositif d'injection, et donc la
flamme.
Les composants du brûleur décrits jusqu'ici sont
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similaires à ceux décrits dans le document FR-A-
2 577 304 déJà mentlonné.
Le dispositif d'in~ection de gaz montré en
Figure 2 est en revanche dépourvu de tuyères destinées à
~o~ner au gaz une vitesse supersonique au col, utilisées
pour le démarrage du brûleur de l'art antérieur. Mais un
diaphragme 16 sera en général prévu pour limiter le
débit de gaz.
Le brûleur comporte une électrode amont 18
placée devant le disque déflecteur 14 et portée par un
tube 20 d'amenée de courant qui traverse le fond du
dispositif d'injection 4.
Le déflecteur 14 est isolé électriquement de
l'électrode 18 par une bague isolante 15 (Figure 6). La
bague est percée de trous, comme indiqué sur la Figure
7, pour permettre le passage de gaz. L'ensemble 14, 15,
18 est assemblé mécaniquement par des gou~ons 13 gainés
d'un tube 17 d'isolation électrique (Figure 7).
La distance a entre la face arrière de
l'électrode amont 18 et le disque déflecteur 14 est
suffisamment faible pour qu'on puisse amorcer un arc
entre eux sous une tension de quelques milliers de
volts : dans la pratique, on donnera souvent à a une
valeur comprise entre 1 et 1,5 mm, permettant un
amorçage sous 3000 V environ. Cette distance, relati-
vement faible, est avantageusement maintenue par le
système de fixation précédemment décrit.
Des moyens permettant d'établir la tension
d'amorçage d'arc entre l'électrode amont 18 et le disque
déflecteur 14 sont constitués, dans le mode de réalisa-
tion illustré sur la Figure 1, par une source principale
de courant continu et une source auxiliaire, placées en
série. La source principale est constituée par un
redresseur de puissance 22, capable de fournir une
intensité réglable, sous une tension de quelques
centaines de Volts. Dans la pratique, on peut par
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exemple utillser un redresseur dont l'intensité et la
tension de sortie nominales sont respectivement de 700 A
et 500 V. La source auxiliaire est constituée par un
redresseur 24 associé à des moyens saturables, de façon
5 qu'il fournisse une tension élevée (par exemple 2500 V)
lorsqu'il est à vide, c'est-à-dire ne débite aucun
courant, et que sa tension de sortie s'effondre dès
qu'il doit fournir du courant. On peut notamment
utiliser une source pouvant fournir 30 A en
10 court-circuit, c'est-à-dire sous une tension
pratiquement nulle, et quelques milliers de Volts à
vide. Une diode 25 peut être prévue pour court-circuiter
le redresseur 24 lorsqu'un courant inverse tend à le
parcourir.
Le circuit destiné à établir un arc entre le
disque déflecteur 14 et l'électrode 18 comporte, à
partir du dispositif d'injection de gaz 4 (relié
électriquement au disque déflecteur), une résistance 26
de limitation de courant, les sources 22 et 24 et une
20 inductance 28 destinée a réduire les instabilités en
fournissant, pendant les périodes transitoires, une
énergie s'opposant à l'extinction de l'arc Cette
inductance peut avoir une valeur inférieure à celle qui
serait nécessaire pour écarter les risques d'extinction
25 dans un dispositif n'ayant pas de source auxiliaire, car
cette dernière intervient pour procurer la surtension de
maintien d'arc nécessaire si l'intensité du courant
d'arc devient trop faible. Dans la pratique, il suffira
en général d'une inductance de 5 à 10 milli-Henry.
La borne de la source principale 22 qui est
reliée au dispositif d'injection 4 par l'intermédiaire
de la résistance 26 est mise à la masse et est reliée
également à l'enveloppe du corps 6 et à la contre-
- électrode 30, placée en alignement avec l'électrode
35 amont 18. On voit que les deux sources sont placées en
série dans le circuit d'établissement et de maintien
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d'arc entre l'électrode amont 18 et la contre-électrode 30.
Le brûleur comporte une électrode relais 32 reliée électriquement à l'enveloppe du corps
16, et donc à la terre, qui peut être con~tituée par une simple saillie métallique 32.
Le fonctionnement du brûleur est le suivant.
Pour démarrer le brûleur, on l'alimente en air et en gaz et on relie la source principale 22,
puis la source ~IlYili~ire 24 au réseau. Un arc s'amorce entre l'électrode amont 18 et le disque
déflecteur 14, avec une intensité limitée par la résistance 26. Le courant de gaz (hydrocarbures par
~ mple) envoyé dans le dispositif d'injection par le conduit 9 souffle l'arc et transfère le pied d'arc,
dans un premier temps, du disque déflecteur 14 à l'électrode relais 32, puis, dans un second temps,
à la contre-électrode 30. Il faut remarquer que l'arc d'amorçage ne se produit pas à l'intérieur du
dispositif d'injection 4, fréquemment en graphite. Il n'y a en conséquence pas arrachement de
carbone et pas d'usure de la bague isolante 15.
Une fois l'arc transféré à la contre-électrode 30, un régime permanent s'établit. En régime
stable, la source principale 22 fournit par exemple un courant de 700 A sous 500 V. La source
électrique 24 est alors pratiquement en court-circuit et ne joue aucun rôle.
Si une instabilité de l'arc apparaît, l'inductance 28 intervient pour procurer une énergie
supplémentaire. Si elle est insuffisante, la source ~lnrili~ire 24 fournit la surtension néce~ire.
Dans le cas illustré sur la Figure 3 (correspondant à un montage avec une inductance de 1,5 mH),
on voit que la tension d'arc Varc augmente rapidement dès que des oscillations de courant pouvant
provoquer l'extinction de l'arc apparaissent.
La source ~ ire 24 a donc une double fonction: d'une part, elle facilite l'amorçage,
d'autre
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part, elle stabillse l'arc et permet de réduire
l'inductance n~cessaire, donc le coût du composant
correspondant.
Dans une variante de réallsation de l'ensemble
5 brûleur-alimentation électrique, montrée en Figure 8, la
contre-électrode 30 est mobile. Sur la Figure 8, les
moyens de déplacement de l'électrode sont constitués par
un vérin 21 asservi en position de manière à pouvoir
faire démarrer l'électro-brûleur en court-circuit. Cette
10 variante a divers avantages :
- suppression de l'alimentation auxiliaire haute
tension 24 pour le démarrage ;
- suppression de la résistance 26 et de
l'électrode relais 32 ;
- inutilité du maintien d'une distance précise
entre le déflecteur 14 et l'électrode 18 (puisque le
démarrage de l'arc ne s'effectue plus entre ces deux
pièces) ;
- à intensité de courant fixée I, possibilité de
20 régler la tension nominale de fonctionnement U (et donc
la puissance P = UI) en faisant varier la distance _
entre les deux électrodes, car U est une fonction
croissante de d, toutes choses égales par ailleurs.
Pour éviter d'endommager les deux électrodes
25 lorsqu'on les met en court-circuit, on peut par exemple
mettre un ressort d'amortissement 40 (Figure 8) sur la
tige 20 de l'électrode amont 18 qui vient buter sur une
bague 42 de coulissement de la tige 20. Cette bague est
solidarisée du corps du dispositif 4 par l'intermédiaire
30 du déflecteur 14. Elle est trouée pour permettre le
passage du gaz.
Il est souhaitable de provoquer un déplacement
du pied d'arc sur les électrodes 18 et 30 pour éviter
une destruction rapide de ces dernières. Les dispo-
35 sitions montrées en Figures 4 et 5 créent, à l'aided'aimants permanents, des forces électromagnétiques de
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mise en rotation du pied d'arc.
Dans le mode de réalisation montré en Figure 4,
l'électrode 18 comporte un corps d'électrode en forme de
cuvette fermée par un fond 33. Le corps et le fond
peuvent être en matériau bon conducteur, par exemple en
cuivre refroidi par circulation de fluide. Dans la
chambre délimitée par le corps et le fond sont logés des
aimants 34 portés par deux noyaux en fer doux 36 et 38
constituant une culasse. Ce montage crée un champ
magnétique dont les lignes de force ont l'allure
indiquée par les lignes f de la Figure 4, qui fait
tourner le pied d'arc autour de l'axe de l'électrode.
Le noyau 38, en forme de disque, non seulement
vise à faire tourner le pied d'arc, mais aussi l'elp~che
d'aller se fixer sur la partie arrière de l'électrode ;
le noyau 36 repousse le pied d'arc s'il se dirige vers
le centre de l'électrode.
Dans certains brûleurs, des perturbations, par
exemple des instabilités dues aux mouvements des gaz,
peuvent permettre au pied d'arc de venir se placer au
centre de l'électrode 18 : dans ce cas, il y reste, car
cette position est stable. Il y a alors usure prématurée
de la partie centrale de l'électrode.
La variante de réalisation de l'électrode 18
montrée en Figure 5 (où les éléments correspondant à
ceux de la Figure 4 sont désignés par le même numéro de
référence) écarte ce risque. Dans l'électrode de la
Figure 5, le corps présente une partie centrale en creux
38 et le noyau tubulaire 36 est raccourci en consé-
quence. Une modélisation des lignes de champ montre quesi le pied d'arc tend à pénétrer dans la partie creuse
38, il est automatiquement repoussé à l'extérieur par
les forces de Laplace.
L'invention ne se limite pas aux modes parti-
culiers de réalisation qui ont été décrits à titred'exemples et il doit être entendu que la portée du
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présent brevet s'étend aux variantes restant dans le
cadre des equlvalences.
