Brûleurs gaz

Les brûleurs atmosphériques sont des brûleurs gaz dans lesquels l’alimentation en air ne se fait pas par un ventilateur. L’air est entraîné dans un venturi par le jet de gaz au niveau d’injecteurs.

Le rétrécissement dans le tube mélangeur augmente la vitesse du gaz (voir la chambre de mélange dans la figure ci-dessus). Cela crée une dépression qui aspire “naturellement” une partie de l’air comburant (appelée “air primaire”) et le mélange au gaz.

Le mélange air_primaire-gaz débouche au niveau d’une série de trous (circulaires, pentes, …) disposés sur une ou plusieurs rampes.

L’allumage du mélange se fait au moyen d’une veilleuse ou d’un système électrique (étincelle ou électrode incandescente). Le complément d’air nécessaire à la combustion (appelé “air secondaire”) est aspiré au niveau de la flamme par induction due à la force ascensionnelle (c’est-à-dire par convection naturelle).

Dans ce type de brûleur, le pourcentage d’air primaire varie de 40 à 50 %.

Toutes les parties du brûleur (injecteurs, tube de mélange, rampes, …) doivent être adaptées les unes aux autres pour permettre une combustion stable, sans décrochement et sans retour de flamme. C’est pourquoi les possibilités de réglage sur ce type de brûleur sont nulles.

Le gros avantage des chaudières équipées d’un brûleur atmosphérique (puissance jusqu’à 1 MW) est la simplicité du système. Les gros désavantages sont :

• l’absence de fermeture automatique du foyer à l’arrêt du brûleur. Il en résulte des pertes à l’arrêt importantes pour les chaudières ;
• l’excès d’air trop important provoquant un mauvais rendement de combustion ;
• la manque de modulation (fonctionnement en “tout ou rien”)
• une production importante de NO_x.

Brûleur gaz à air pulsé

1. Moteur.
2. Boîte de contrôle.
3. Transformateur.
4. Pressostat mini air (brûleur 1 allure).
5. Pressostat mini air (brûleur 2 allures).
6. Electrodes.
7. Moteur volet d’air.
8. Electrovanne (2ème allure).
9. Electrovanne de sécurité.
10. Pressostat mini gaz.
11. Electrovanne (1ère allure).
12. Régulateur de pression.

Le brûleur gaz à air pulsé a pour fonction de fournir, dans des proportions correctes, l’air comburant et le gaz pour permettre une combustion efficace. Le gaz et l’air comburant sont mélangés au niveau de la tête de combustion, un peu en aval de la combustion. Il n’y donc pas véritablement de pré-mélange. L’alimentation en air est assurée par un ventilateur qui puise l’air ambiant de la chaufferie. L’alimentation en gaz est assurée par une électrovanne et des régulateurs de pression.

Principe de fonctionnement d’un brûleur gaz à air pulsé.

Le Champ magnétique créé par le bobinage sous tension attire le noyau mobile qui porte le clapet de fermeture.

Électrovanne hors tension (fermée).

Électrovanne sous tension (ouverte).

1. Bobinage.
2. Armature concentrant le champ magnétique.
3. Noyau mobile.
4. Clapet de fermeture.
5. Siège du clapet.
6. Corps de vanne.
7. Ressort.
8. Partie métallique non conductrice de champ magnétique.

La pression d’alimentation de gaz est constante, le réglage du débit nominal se fait, par étranglement, avant l’entrée dans la tête du brûleur :

• soit par un “té” de réglage indépendant de la vanne gaz ;
• soit par un boisseau incorporé à la vanne gaz ;
• soit par un limitateur de déplacement du clapet de la vanne gaz.

Dans les brûleurs à deux allures, les électrovannes sont composées de deux bobinages et de deux noyaux mobiles.

Il existe également des vannes hydrauliques dont le clapet est manœuvré par un piston à huile. L’avantage de ce système est une ouverture plus progressive liée à la vitesse de la pompe et une fermeture plus rapide liée à la pression du ressort plus importante que pour les électrovannes. Un démarrage plus lent peut être obtenu au moyen de deux vannes magnétiques montées en parallèle. Les vannes gaz comportent un contact de fin de course qui interdit le démarrage du brûleur si le clapet n’est pas correctement fermé.

La puissance du brûleur

La puissance “P” du brûleur dépend du débit “q_gaz” de gaz. Celui-ci peut être mesuré au niveau du compteur gaz. En première approximation, en négligeant l’influence de la pression et de la température sur le débit ainsi que la variation du pouvoir calorifique du gaz distribué, on peut déterminer la puissance du brûleur par :

La tête de combustion du brûleur pulsé est constituée d’un embout ou gueulard qui guide la flamme. Celle-ci est allumée au moyen d’électrodes alimentées en haute tension, créant un arc électrique. La flamme est maintenue en position grâce au déflecteur. En effet, le flux d’air autour de ce dernier crée une dépression qui maintient la flamme en position.

Tête de combustion d’un brûleur gaz (gauche) et déflecteur (droite).

Le réglage de la tête de combustion, c’est-à-dire de la distance entre le déflecteur et l’embout, est essentiel au bon fonctionnement du brûleur en répartissant les débits d’air primaire (passant au centre du déflecteur) et d’air secondaire (passant à la périphérie). Il s’agit d’obtenir une vitesse de mélange air/combustible correcte. Une vitesse trop importante entraîne des difficultés d’allumage et d’accrochage de la flamme. Une vitesse trop lente provoque une combustion oscillatoire. Dans les 2 cas, il y a des risques d’accumulation de gaz dans la chaudière et donc d’explosion.

Les modèles de brûleur gaz à air pulsé se différencient pas la forme de la tête de combustion. On retrouve ainsi des tubes percés de trous ou de fente, des tubes à gaz, des dispositifs tourbillonneurs, des accroche-flammes à fentes ou trous, …

Un contrôle continu de la flamme du brûleur est nécessaire pour arrêter ce dernier immédiatement en cas de défaut :

• si la flamme n’apparaît pas quand le combustible est libéré ;
• si la flamme disparaît en cours de fonctionnement ;
• si une flamme parasite apparaît alors que le brûleur est en phase de démarrage.

De plus, le défaut doit être signalé par une alarme, qui avertit un technicien chargé du dépannage. Le but est d’éviter d’admettre du gaz dans une chaudière sans le brûler. L’allumage intempestif de ce gaz pourrait provoquer une explosion. Comme élément de détection de la flamme on utilise :

• un thermocouple sensible à la chaleur de la flamme (système de détection lent utilisé sur les chaudières atmosphériques de moins de 70 kW ;
• un détecteur infrarouge également sensible à la chaleur de la flamme ;
• une cellule UV qui émet un signal électrique grâce à l’ionisation d’un gaz contenu dans la cellule, sous l’effet des rayons UV émis par les flammes gaz ;
• une sonde d’ionisation. Cette sonde est sensible à la présence d’ions et d’électrons dans toute flamme. Il suffit dès lors d’essayer de faire passer un courant dans la flamme. Si le courant passe, c’est qu’il y a une flamme.

On répertorie 4 modes de fonctionnement des brûleurs gaz pulsés :

• en tout ou rien ;
• en 2 allures ;
• en tout ou peu progressivement ;
• en modulation.

Brûleur pulsé “tout ou rien” (Pn < 100-150 kW)

On parle de brûleur tout ou rien lorsque pour toute demande de chaleur, le brûleur s’enclenche, fournit sa pleine puissance, et s’arrête lorsque les besoins sont satisfaits.

Les brûleurs tout ou rien se différencient par leur mode de démarrage : en pleine puissance, à débit limité et à petite allure.

Démarrage à pleine puissance

Ce type de brûleur est utilisé pour les puissances inférieures à 100 .. 120 kW. Lors de la demande de chaleur, le brûleur démarre directement à pleine puissance.

Démarrage à débit limité

Lors d’une demande de chaleur et grâce à un jeu d’électrovannes (2 vannes magnétiques ou bien d’une seule vanne à 2 étages), le brûleur démarre avec une puissance de l’ordre de 75 % et passe à sa pleine puissance après le temps de post-allumage. Cela permet d’atténuer l’onde de choc provoquée par l’allumage du combustible. Comme dans ce type de brûleur, le réglage du registre d’air est manuel, la phase initiale du démarrage se produit avec un excès d’air trop important et donc une combustion médiocre.

Démarrage à petite allure

Ce mode de démarrage repose sur le même principe que dans le cas précédent. Il s’en différencie cependant par la réduction plus importante de la puissance au démarrage. Il s’agit en fait de brûleurs 2 allures mais dont la commande ne permet pas le choix de l’allure en fonction des besoins. Le temps séparant l’allumage du passage à la deuxième allure est fixé (relais programmable).

Brûleur pulsé 2 allures (Pn entre 100-250kW)

En cas de demande de chaleur, le brûleur est enclenché en première allure (qui représente entre 40 et 60 % de la puissance nominale). Après un délai déterminé (relais programmable), le brûleur passe à pleine puissance sauf si le régulateur signale que cette pleine puissance n’est pas nécessaire. Dans ce dernier cas, la première allure est maintenue.

Lorsque le brûleur fonctionne en deuxième allure, il est possible que le régulateur estime que la pleine puissance n’est plus requise et le brûleur repasse en première allure. Si la puissance requise est inférieure à la puissance en allure réduite, le brûleur s’arrête. Dans le cas inverse, il repasse en deuxième allure.

Le brûleur 2 allures présentent des avantages énergétiques indéniables :

• L’adaptation de la puissance aux besoins allonge le temps de fonctionnement du brûleur et diminue le nombre de cycles d’allumage source d’imbrûlés et d’émissions polluantes.

• Les temps d’arrêt de la chaudière et donc les pertes du même nom sont moindres.

• La diminution de la puissance du brûleur par rapport à la puissance de la chaudière augmente le rendement de combustion. En effet, la taille de l’échangeur augmente par rapport à la puissance de la flamme et donc les fumées sortent plus froides de la chaudière. Un gain de rendement de combustion de 2 .. 2,5 % est ainsi possible entre la petite allure (60 % de la puissance nominale) et la grande allure.

Brûleur pulsé “tout ou peu progressif”

Le principe de fonctionnement de ce type de brûleur est semblable à celui d’un brûleur 2 allures. Ce brûleur ne permet que 2 allures. Le passage de la première à la deuxième allure n’est cependant plus brutal, mais progressif (en un temps minimum de 30 secondes).

Si la demande de chaleur est inférieure à la puissance en première allure, le brûleur se met à l’arrêt. Si elle y correspond, le brûleur maintient son fonctionnement en première allure. Si elle en est supérieure, le brûleur passe progressivement en deuxième allure.

Brûleur pulsé modulant (Pn > 150kW)

Avec un brûleur modulant, toutes les allures de fonctionnement sont possibles, au-delà d’un minimum souvent de l’ordre de 30 %. Les débits d’air et de fuel sont réglés en continu en fonction de la puissance de chauffage requise, ce qui permet un fonctionnement quasi continu.

Les avantages du brûleur modulant sont du même ordre que ceux du brûleur 2 allures. L’adaptation de la puissance est cependant encore plus fine, ce qui limite encore les temps d’arrêt d’un brûleur. La modulation a cependant ses limites. En effet, à basse puissance, le réglage de l’excès d’air devient difficile. C’est pourquoi les brûleurs modulants ne peuvent descendre en dessous d’une puissance de l’ordre de 30 % et à ce moment.

Le potentiel de modulation des différentes approches a été évoqué précédemment. Néanmoins, pour des questions de clarté, ces propriétés sont résumées dans le tableau ci-dessous.

On voit que pour les puissances faibles, le brûleur à air pulsé fonctionne en “tout ou rien” alors que le brûleur à prémélange offre déjà une large plage de modulation, de l’ordre de 10-20 % à 100 %. Pour les puissances plus élevées, typiquement au-delà d’~1 MW, il est techniquement difficile de réaliser des chaudières à prémélange. Par conséquent, pour pouvoir augmenter la puissance installée au-dessus de ce seuil, on travaille avec plusieurs chaudières à prémélange en cascade. En outre, ceci va améliorer les capacités de modulation de l’ensemble de l’installation et une meilleure sécurité d’approvisionnement. Néanmoins, au-delà de 3 chaudières montées en cascade, les installations deviennent difficiles à piloter et maintenir. À partir de 3 MW, on ne trouvera donc plus raisonnablement d’installations basées sur des chaudières/brûleurs à prémélange. En fait, les chaudières et brûleurs à air pulsé vont progressivement prendre le relais à partir des installations de 1-3 MW.