Brûleur fuel

Le brûleur fuel :

1. Moteur.
2. Boîte de contrôle.
3. Transformateur.
4. Electrodes.
5. Ventilateur.
6. Volute.
7. Déflecteur.
8. Gicleur.
9. Réchauffeur.
10. Cellule photosensible.
11. Electrovanne.
12. Pompe et régulateur de pression.

Le brûleur fuel a pour fonction de mélanger, dans des proportions correctes, l’air comburant et le fuel pour permettre la combustion.

L’alimentation en air est assurée par un ventilateur qui puise l’air ambiant de la chaufferie.

L’alimentation en fuel est assurée par une pompe qui puise dans le réservoir. La pompe a également pour mission de maintenir, via un régulateur, une pression suffisante au fuel pour permettre sa pulvérisation. L’électrovanne libère le combustible au moment déterminé par la programmation. Le gicleur assure la pulvérisation du fuel en des milliards de gouttelettes et le réglage du débit nominal de fuel. On parle donc de “brûleur à pulvérisation”.

Principe de fonctionnement d’un brûleur fuel.

L’alimentation en fuel se fait via une pompe (le plus souvent une pompe à engrenage), reliée à l’arbre du moteur. La pompe est équipé d’un régulateur de pression qui renvoie l’excès de fuel vers le réservoir.

Pompe à fuel.

Régulateur de pression : la pression d’alimentation du gicleur est assurée par un ressort d’équilibrage.  Le surplus de fuel est renvoyé vers le réservoir par la sortie.

Une ou plusieurs électrovannes permettent ensuite au gicleur d’être alimenté.

Électrovanne hors tension (fermée) et électrovanne sous tension (ouverte).

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

Électrovannes :

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.

En augmentant la température du combustible avant sa pulvérisation, le réchauffeur a pour objectif :

• de diminuer la viscosité du fuel et donc d’améliorer sa pulvérisation et donc sa combustion,

• d’atténuer les variations de viscosité du fuel liées à la température de stockage et aux caractéristiques du fuel acheté.

La tête de combustion du brûleur 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.

Déflecteur.

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.

Le réglage de la tête de combustion, c’est-à-dire des distances (a et b) entre le gicleur, 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).

Les séquences de fonctionnement d’un brûleur sont les suivantes :

• Préventilation ou prébalayage : mise en marche du moteur du ventilateur pour amorçage du tirage de la cheminée, évacuation éventuelle de gaz dans le circuit des fumées. Pour les brûleurs de plus de 300 kW, le prébalayage s’effectue à l’aide du ventilateur et dure au minimum 15 secondes. Pour les brûleurs de moins de 300 kW, le prébalayage peut se faire par tirage naturel vers la cheminée, avec une durée minimale de 5 secondes.

• Préallumage : simultanément mise sous tension du transformateur.

• Mise à feu : quelques secondes après, ouverture de l’électrovanne du fioul.

• Post-allumage : pour permettre à la flamme de se stabiliser, l’étincelle est maintenue un court instant après l’apparition de la flamme.

• Régime de fonctionnement : après l’apparition de la flamme, mise hors tension du circuit d’allumage.

• Arrêt : dès satisfaction des besoins calorifiques, arrêt du brûleur par mise hors tension du moteur du ventilateur et de l’électrovanne.

Pour automatiser ces opérations, il faut un moyen fiable pour chronométrer la durée des séquences, qui doivent se répéter fidèlement pendant des années. Les coffrets actuels comportent tous une période de pré et post-allumage. Pour les grosses puissances, il y a en plus une préventilation.

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 de pulvériser du fuel dans une chaudière sans le brûler. On risquerait d’inonder le foyer (et même la chaufferie) et l’allumage intempestif pourrait provoquer une explosion.

Cellule photorésistante

Actuellement, la détection de la flamme fuel se fait fréquemment par cellule photorésistante. La cellule photorésistante réagit directement à la lumière émise par la flamme. Cette réaction est pratiquement instantanée, ce qui permet une commande rapide du système de sécurité. La cellule est constituée par un semi-conducteur dont la résistance varie en fonction inverse de son éclairement : ce matériau a la propriété de ne permettre le passage du courant que lorsqu’il est éclairé. Il est commode de vérifier l’efficacité d’une telle cellule par la mesure de sa résistance dans l’obscurité et, par exemple à la lumière d’une lampe de poche. En règle générale, les cellules photorésistantes sont destinées à la surveillance des flammes fuel (flamme jaune à infrarouge) et moins à la surveillance des flammes gaz, qui émettent plus de rayons ultra-violets.

Cellule photoélectrique

La cellule photoélectrique est sensible au rayonnement lumineux situé dans le spectre visible. Lorsqu’elle est soumise à ce rayonnement une tension apparaît à ses bornes. La cellule se comporte comme un générateur de courant : tout incident annule le signal émis et provoque la mise en sécurité du brûleur. Les cellules photoélectriques ne sont utilisées que pour les flammes fuel. Leur principal inconvénient est un vieillissement rapide.

On répertorie 4 modes de fonctionnement des brûleurs fuel :

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

On retrouve ces mêmes modes de fonctionnement pour les brûleurs pulsés au gaz. Néanmoins, la modulation est techniquement plus facile à réaliser pour le gaz. Par conséquent, les niveaux de puissance cités ci-dessous pour le mazout ne sont pas identiques pour les brûleurs pulsés au gaz. En effet, pour de petites applications, le brûleur pulsé modulant au gaz peut déjà se justifier alors qu’il ne s’impose pas encore pour le fuel.

1) Brûleur tout ou rien (Pn < 150-200 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. Typiquement, on se limite à cette technique de “tout ou rien” pour les puissances inférieures à 150-200 kW. Les brûleurs tout ou rien se différencient par leur mode de démarrage : le démarrage à pleine puissance, le démarrage à débit limité et le démarrage à petite allure.

Démarrage à pleine puissance

Ce type de brûleur est utilisé pour les puissances inférieures à 100 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, 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 peut s’appliquer aux brûleurs de plus de 50 kW. Il 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).

2) Brûleur 2 allures (Pn  > 150-200 kW et Pn < 1 MW)

En cas de demande de chaleur, le brûleur pulsé 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.

Trois possibilités constructives sont exploitées dans les brûleurs 2 allures :

1. Soit une pompe alimente deux gicleurs différents via deux électrovannes : la petite allure est assurée par l’ouverture d’une électrovanne et l’alimentation du premier gicleur; pour assurer la grande allure, la deuxième électrovanne est activée (la première restant ouverte) et alimente le second gicleur en complément.
2. Soit une pompe à deux étages alimente un seul gicleur, via deux régulateurs de pression.
3. Soit un gicleur à retour (pour les grosses puissances). Il s’agit en fait d’un gicleur dont une partie du fuel qui l’alimente n’est pas pulvérisée et est renvoyée vers la cuve. Par un jeu de vanne automatique, la résistance du circuit retour du gicleur permet une variation du débit pulvérisé.
   • en petite allure, les électrovannes (1) et (2) sont ouvertes. La pression de pulvérisation est réglée par le régulateur de pression,
   • en grande allure, l’électrovanne (2) est fermée et le gicleur est soumis à la pression de la pompe.

Brûleur 2 allures avec gicleur à retour  (à gauche). Brûleur à deux gicleurs et deux électrovannes (à droite).

Dans les différents cas, pour maintenir un bon rapport air-combustible, le registre d’air est à deux positions fixées :

• soit par un vérin hydraulique activé par la pression de combustible,
• soit un servomoteur électrique,
• soit un électro-aimant.

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 sources 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.

Cette amélioration technique se justifie à partir de puissances supérieures à 150-200 kW. En dessous de cette puissance, on trouve essentiellement des brûleurs pulsés fuel tout ou rien.

3) Brûleur “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.

Le brûleur “tout ou peu progressif” est équipé d’un gicleur à retour.

Brûleur “tout ou peu progressif”.

Fonctionnement d’un brûleur “tout ou peu progressif” :

• En petite allure, l’électrovanne est ouverte et le servomoteur commandant le régulateur de pression est en position minimum,

• Lors du passage en deuxième allure, le servomoteur actionne progressivement le régulateur de pression et le registre d’air pour atteindre le maximum d’ouverture en deuxième allure.

4) Brûleur modulant (Pn > 1 MW)

Avec un brûleur modulant, toutes les allures de fonctionnement sont possibles. Néanmoins, la puissance minimale que l’on peut atteindre est souvent de l’ordre de 30% de la puissance nominale (P varie entre [0.3 Pn;  Pn]). 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.

Brûleur modulant fuel.

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 fuel ne peuvent descendre en dessous d’une puissance de l’ordre de 30 % et à ce moment.