Les brûLeurs à mazout

Transcription

Fonds de formation professionnelle de la construction
Chauffage central
Technologie de brûleur
Les brûleurs à mazout
Fonctionnement et éléments
5.3B
AVANT-PROPOS
L e s b r û l e u r s à m a zo u t
AVANT-PROPOS
Contexte
Le secteur de la construction, pilier de notre économie, est confronté constamment à un grand nombre de défis.
Parmi ceux-ci, le secteur veille à assurer la formation continue de la main-d’œuvre en activité dans la construction.
Pour renforcer la réserve de main-d’œuvre qualifiée, Le Fonds de Formation professionnelle de la Construction, le
fvb-ffc Constructiv, porte une attention particulière à l’enseignement et à la formation des jeunes qui choisissent une
formation dans le domaine de la construction.
La formation tout au long de la vie des adultes demeure une nécessité parce que les techniques et les matériaux
changent de manière significative; une plus grande attention sera accordée aux dispositions relatives à la sécurité et
aux exigences liées à la « Construction durable ».
Par conséquent, le ffc, avec le soutien des organisations professionnelles, charge des équipes de rédaction de
manuels modulaires de formation. Ces manuels peuvent être complémentaires aux publications du CSTC. Les
équipes de rédaction peuvent varier selon le sujet, les experts sont généralement identifiés auprès des opérateurs
de formation et d’enseignement, ainsi que des professionnels du secteur en activités ou encore des fabricants, pour
être en lien avec la réalité actuelle dans le milieu professionnel.
Le résultat est un série de manuels modulaires, utilisable comme supports de cours à adapter selon les types de
formation et selon les groupes cibles. Ces supports didactiques sont également disponible en format téléchargeable
sur notre site ffc.constructiv.be
Le manuel modulaire Chauffage Central
De nombreuses personnes intelligentes et ingénieuses ont contribué de manière inestimable avec ce travail à
rehausser le niveau du savoir-faire dans notre pays. Ce manuel s’adresse dès lors à tous ceux qui veulent maîtriser leur
métier. Dans cette série de manuels, certains volumes s’adresseront davantage à l’exécutant (monteur), tandis que
d’autres intéresseront davantage le collaborateur pour la maintenance (technicien) ou le responsable (installateur).
Tous les aspects de la profession y sont décrits dans les moindres détails et expliqués dans un langage accessible et
dans un style très visuel. Il donne d’une part un aperçu des produits, techniques et applications actuels et rejoint d’autre
part les profils de compétences professionnelles qui sont convertis en programmes de formation.
Une série de manuels modulaires est ainsi créée et peut servir de support de cours aux différentes formations et
différents publics cibles.
Résumé
Ce manuel décrit l’origine, les propriétés et la combustion de mazout pour un usage domestique et donne une
description succincte des possibilités de stockage.
Le pétrole et ses dérivés sont analysés dans le premier chapitre; les propriétés du mazout sont abordées dans le
deuxième chapitre. La combustion du mazout est expliquée dans le troisième chapitre; un peu de chimie ne peut
pas nuire. Vous pouvez retrouver les informations générales sur le stockage du mazout dans le chapitre 4 lequel ne
contient pas la réglementation complète et les normes de construction.
Les manuels suivants sont édités dans cette série:
• propriétés et stockage
• brûleurs au mazout: fonctionnement et éléments
• brûleurs au mazout: contrôle de la combustion et entretien
Public cible: instructeurs, apprenti, professionnels
Robert Vertenueil
Président fvb-ffc Constructiv
3
Rédaction
Coordination:
Patrick Uten
Groupe de travail:
Paul Adriaenssens
Chris De Deyne
Inge De Saedeleir
Gustaaf Flamant
René Onkelinx
Jacques Rouseu
Textes:
Chris De Deyne
VDAB
CEDICOL
Dessins:
Thomas De Jongh
CEDICOL
Avec l’aide de:CEDICOL
VDAB
© Fonds de Formation professionnelle
de la Construction, Bruxelles 2014
Tous droits de reproduction, de traduction
et d’adaptation, par quelque procédé que ce
soit, réservés pour tous les pays.
Version octobre 2014
D/2014/1698/06
4
Contact
Pour adresser vos observations,
questions et suggestions, contactez:
fvb-ffc Constructiv
Rue Royale 132/5
1000 Bruxelles
Tél.: 0032 2 210 03 33
Fax: 0032 2 210 03 99
website : ffc.constructiv.be
contenu
contenu
1 Fonctionnement – Eléments�� 7
2 F onctionnement d’un brûleur
à pulvérisation�� 9
3 Les éléments de l’amenée
de mazout��11
3.1 La soupape d’admission��11
3.2 Les conduites de mazout��12
3.2.1 Principe général��12
3.2.2 Le système bitube��12
3.2.3 Le système monotube��14
3.2.4 Les pompes de transfert��15
3.2.5 La protection anti-siphon��15
3.2.6 Le filtre à mazout��16
3.2.7 Les flexibles��19
4 Les éléments du brûleur
à mazout��21
4.1 La bride de fixation��21
4.2 La pompe à mazout��22
4.2.1 Doel��22
4.2.2 Werking��22
4.2.3 Construction��23
4.3 L’accouplement moteur – pompe à mazout�28
4.4 La conduite sous pression��28
4.5 La ligne gicleur��29
4.5.1 La ligne gicleur et le porte-gicleur��29
4.5.2 Le gicleur��29
4.5.3 Dispositif d’allumage��44
4.5.4 Accrocheur de flamme (volet du gicleur,
stabilisateur)��46
4.5.5 Crachotement du gicleur��49
4.6 Tube foyer��53
4.7 Coffret de contrôle automatique
(relais de brûleur)��54
4.7.1 But du coffret de contrôle automatique��54
4.7.2 Généralités��54
4.7.3 Classification des types de dispositifs
automatiques des brûleurs��56
4.7.4 Programme du coffret de contrôle
automatique (relais)��57
4.7.5 Fonction de diagnostic du relais
électronique��62
4.7.6 Le détecteur de flamme��65
4.8 Moteur��69
4.9 Ventilateur��69
4.10 Le régulateur d’air��71
4.10.1 Le volet d’air à fermeture
non automatique��71
4.10.2 Le volet d’air à fermeture automatique��72
4.10.3 Le volet d’air de régulation
de la pression d’air��73
4.11 La fiche euro 7 pôles - raccordement
électrique��74
4.12 Le capot du brûleur��75
5 Le brûleur Low NOx ��77
5.1 Introduction��77
5.2 Problématique��77
5.3 Le brûleur Low-NOx à recirculation
des gaz de combustion��78
5.3.1 Le brûleur à gazéification (‘brûleur
à flamme bleue’)��80
5.3.2 Le brûleur à mazout modulant��81
5.3.3 Le brûleur à mazout modulant premix��82
5.3.4 Modulerende oliebrander
met injectieventiel��84
6 Les brûleurs à deux allures��87
6.1 Types��88
6.1.1 Démarrage ‘tout ou rien’ à débit limitél��88
6.1.2 Deux allures��88
6.2 La répartition du débit de combustible��89
6.2.1 Répartition du débit de combustible:
avec deux gicleurs��89
avec un seul gicleur��90
6.3 Le régulateur d’air��91
6.3.1 Régulation de l’air au moyen
d’un servomoteur��91
d’un vérin hydraulique ou piston��92
d’une ‘volet de surpression’��93
d’un second moteur��94
6.4 Raccordement électrique��95
6.4.1 Contrôle de la deuxième allure��95
7 Annexes��97
5
6
1. Fonctionnement – Eléments
1. Fonctionnement – Eléments
Chaque combustible contient en puissance une certaine quantité de
chaleur. Pour exploiter cette chaleur potentielle, il faut transformer le
combustible en flamme, de manière à libérer la chaleur. Pour convertir le combustible en chaleur utile, nous pouvons le gazéifier ou le
pulvériser en fines gouttelettes à l’aide d’un brûleur à pulvérisation.
Le brûleur à pulvérisation est donc un appareil qui divise le combustible (gasoil de chauffage) en très fines gouttelettes afin d’agrandir
la surface de contact entre l’air et le combustible. Le brûleur a un
rôle complexe: mélanger le combustible et l’air dans une proportion
correcte, enflammer le mélange, assurer une combustion continue et
sécuriser la combustion.
Weishaupt
7
8
2. Fonctionnement d’un brûleur à pulvérisation
2. F onctionnement d’un brûleur
à pulvérisation
La pompe montée sur le brûleur crée une dépression dans la
conduite d’aspiration qui mène au brûleur. La pression atmosphérique pousse alors le combustible vers la pompe, laquelle délivre à
son tour un débit donné en fonction de cette pression. Le combustible est refoulé en direction d’un gicleur qui va nébuliser le mazout.
L’air nécessaire pour obtenir une bonne combustion est amené par
un ventilateur centrifuge. Une électrovanne, qui fait ou non partie de
la pompe, règle le débit du combustible en direction de la ligne d’injection. Le mélange air/combustible est allumé au niveau du gicleur
proprement dit par une étincelle à haute tension produite par un
transformateur d’allumage. La séquence de fonctionnement de tous
les éléments et la protection sont assurées par le relais de brûleur.
Weishaupt
Composition d’un brûleur
9
10
3. Les éléments de l’amenée de mazout
3.1 La soupape d’admission
La soupape d’admission est un élément obligé de la conduite d’aspiration. Elle est équipée d’un clapet antiretour qui empêche le mazout
de refluer dans le réservoir quand le brûleur est à l’arrêt. La soupape
d’admission est placée à 8 à 12 cm du fond du réservoir afin de ne
pas aspirer de sédiments et/ou d’eau.
Cette soupape d’admission se trouve généralement au bout d’une
conduite fixe en cuivre, en acier ou en plastique.
Euro Index
Euro Index
Ensemble pour citerne
Soupape d’admission
réservoir interne
Euro Index
Un autre principe est aussi appliqué: celui des sets d’aspiration
universels. Ce sont des systèmes installés sur le couvercle du trou
d’homme et sur lesquels est monté un raccord pompier. Dans ce cas,
le clapet antiretour se trouve dans la partie supérieure de la soupape
et une conduite en plastique flexible plonge dans le réservoir.
Lors de l’installation, la partie flexible peut être raccourcie en fonction
du diamètre du réservoir. Ici aussi, il y a lieu de respecter une distance
de 8 à 12 cm entre le fond et l’extrémité.
Une autre possibilité consiste à utiliser une aspiration flottante. Un
flotteur fixé à l’extrémité de l’aspiration garantit que le mazout sera
toujours aspiré dans la partie supérieure du liquide. C’est une bonne
solution pour les réservoirs qui sont en proie à un problème d’encrassement chronique.
Aspiration à flotteur
11
3.2 Les conduites de mazout
3.2.1
Principe général
Comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre, on travaille
avec des pompes à mazout universelles. Ces pompes ont un débit
d’aspiration compris entre 20 et 50 litres par heure (en application
domestique).
Les conduites de mazout et les raccords doivent être parfaitement
étanches. En effet, s’il y a une fuite dans la conduite d’aspiration, de
l’air risque d’être aspiré; de ce fait, le brûleur peut grésiller, se mettre
régulièrement en sécurité ou même ne plus démarrer du tout. Après
le montage, il y a donc lieu de contrôler l’étanchéité de l’installation
de stockage et des conduites à l’aide des appareils adéquats. Le brûleur ne peut pas être raccordé pendant l’essai d’étanchéité.
La hauteur d’aspiration statique (hauteur verticale entre la pompe et
la soupape d’aspiration ou d’alimentation) ne peut pas excéder 4 m. Il
est conseillé de ne pas dépasser la valeur de 0,4 bar pour la résistance
à l’aspiration (vide). Sinon, la pompe risque de s’user prématurément
et de faire beaucoup de bruit (sifflement). A une pression plus basse,
les gaz contenus dans le mazout se séparent.
3.2.2
Le système bitube
Un système bitube comprend une conduite d’alimentation et une
conduite de retour. Le mazout est amené au brûleur par la conduite
d’alimentation et l’excédent est ramené au réservoir par la conduite
de retour. Un système bitube présente les avantages suivants:
• Le grand avantage de ce système est que la pompe à mazout est
refroidie et lubrifiée en permanence par du mazout ‘frais’.
• Le combustible est filtré en continu.
• La pompe à mazout n’est pas ‘freinée’ dans sa capacité d’aspiration puisqu’elle peut constamment aspirer le débit total.
• Un dernier avantage non négligeable de ce système est que les
conduites et la pompe sont mieux désaérées.
Par contre, ce système présente le grand inconvénient qu’il y a
toujours du mazout qui s’écoule par la conduite de retour. Lorsque
les conduites ne sont pas visibles ou qu’elles sont enterrées, il y a
donc un risque de pollution environnementale en cas de fuite sur la
conduite de retour.
12
Le diamètre de ces conduites est mentionné dans le mode d’emploi
du brûleur ou de la pompe à mazout.
Les tableaux sont généralement établis sur base des paramètres
suivants:
• perte de charge de 35 kPa;
• viscosité du mazout de 6 mm²/s;
• quatre coudes;
• un seul filtre.
Dans le premier exemple ci-dessous, où le brûleur est installé 2,5 m
plus bas que le réservoir et la conduite a un diamètre de 6 mm, une
pompe peut franchir une distance maximale de 27 mètres.
Le deuxième exemple montre que, dans des conditions identiques,
mais où le brûleur est placé plus haut que le réservoir (-2,5 m), la
distance peut aller jusqu’à 7 m.
Le systeme bitube, puissance plus petit que 70 kW
distance d’aspiration
diamètre interne du tube d’aspiration
6 mm
le brûleur plus haut que le réservoir le brûleur plus bas que le réservoir
H en mètre
8 mm
10 mm
longueur maximum en mètre
+4,0
33
100
100
+3,5
31
98
100
+3,0
29
91
100
+2,5
27
85
100
+2,0
25
79
100
+1,5
23
72
100
+1,0
21
66
100
+0,5
19
60
100
0
17
53
100
-0,5
15
47
100
-1,0
13
41
99
-1,5
11
34
84
-2,0
9
28
68
-2,5
7
22
53
-3,0
5
15
37
-3,5
3
9
22
* mazout 6mm²/s (cSt)
Diamètre des conduites dans un système bitube
13
Thomas De Jongh
3.2.3
Le système monotube
Comme le nom l’indique, ce système ne comprend qu’une conduite
pour l’amenée du mazout. Dans ce cas, il faut monter un filtre monotube ou un purgeur d’air. Ce genre de filtre comprend une liaison
entre la partie aspiration et la partie retour, avec purge d’air automatique ou non. Dans certaines applications de raccordement monotube, la vis de by-pass doit être retirée de la pompe (voir chapitre
1.4.2). Ce système ne peut être appliqué que si le réservoir se trouve
plus haut que le brûleur ou si l’on a placé un purgeur d’air (Tigerloop
- Euro Control).
Le fabricant fournit également des tableaux qui permettent de
déterminer le diamètre. Avec cette application, il est important de
connaître le débit à aspirer.
Si nous travaillons avec les mêmes données que dans l’exemple
ci-dessus, c.-à-d. 6 mm de diamètre, une dénivellation de 2,5 m, un
débit maximum de 2,5 kg/h et un réservoir placé plus haut que le
brûleur, la distance peut aller jusqu’à 100 m.
Systèmes monotube s
Thomas De Jongh
Système monotube
puissance nominale de la chaudière
le brûleur plus haut que le réservoir
le brûleur plus bas que le réservoir
distance
d’aspiration
2,5 kg/h
5 kg/h
63 kW 10 kg/h
H en mètre
4 mm
5 mm
6mm
4 mm
5 mm
6 mm
5 mm
6 mm
8 mm
+4,0
51
100
100
26
62
100
31
65
100
+3,5
45
100
100
22
55
100
27
57
100
+3,0
38
94
100
19
47
97
23
49
100
+2,5
32
78
100
16
39
81
20
40
100
+2,0
26
62
100
13
31
65
16
32
100
+1,5
19
47
97
10
23
49
12
24
77
+1,0
13
31
65
6
16
32
8
16
51
+0,5
6
16
32
3
8
16
4
8
26
0
52
100
100
26
63
100
32
66
100
-0,5
46
100
100
23
56
100
28
58
100
-1,0
40
97
100
20
48
100
24
50
100
-1,5
33
81
100
17
41
84
20
42
100
-2,0
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66
100
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33
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17
34
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-2,5
21
51
100
10
26
53
13
27
84
-3,0
15
36
75
7
18
37
9
19
59
-3,5
9
21
44
4
11
22
5
11
35
-4,0
2
6
12
1
3
6
1
3
10
* mazout 6mm²/s (cSt)
Diamètre des conduites dans un système monotube
14
VDAB
3.2.4
Les pompes de transfert
Dans certains cas, la pompe à mazout du brûleur ne suffit pas à elle
seule pour amener le mazout jusqu’au gicleur. On peut résoudre ce
problème en plaçant une pompe de transfert.
Cette mesure est nécessaire quand:
• il faut alimenter plusieurs brûleurs au départ d’un seul réservoir;
• le brûleur se trouve à plus de 4 m au-dessus du réservoir;
• la dépression sur la pompe à mazout dépasse les 45 kPa;
• il faut prévoir une boucle d’alimentation;
• il faut alimenter un réservoir secondaire (ou réservoir de jour).
Pompe de transfert
Il est important d’installer la pompe de transfert le plus près possible
du réservoir. La différence de niveau entre la pompe de transfert et le
réservoir ne peut pas dépasser 3,5 m.
Pour déterminer le débit nécessaire, il faut tenir compte de la règle
suivante:
• Installation monotube: deux fois le débit du gicleur ou des
gicleurs quand plusieurs brûleurs sont en service.
• Installation bitube: deux fois le débit de la pompe ou des pompes
qui alimentent les différents brûleurs au départ d’un collecteur et qui
sont raccordées au réservoir par une conduite de retour.
VDAB
3.2.5
La protection anti-siphon
Lorsqu’un réservoir est installé plus haut que le brûleur, il risque de se
vider par effet de siphon si les conduites ou les raccords au brûleur
ou au filtre sont endommagés. Dans ce cas, il est conseillé de placer
une protection anti-siphon. Cela peut être une électrovanne montée
sur le réservoir, qui se referme automatiquement si du mazout est
détecté autour du brûleur ou si le brûleur est coupé. Il existe aussi
des clapets spéciaux réglables en fonction de la différence de hauteur entre le réservoir et le brûleur, et qui nécessitent une dépression
minimum avant de s’ouvrir.
Thomas De Jongh
Soupape anti-siphon
Soupape anti-siphon
15
VDAB
3.2.6
Le filtre à mazout
La conduite d’amenée doit être équipée d’un filtre à mazout adéquat
qui filtre le mazout en permanence. Le filtre à mazout peut être du
type monotube ou bitube et se compose d’une partie métallique,
généralement équipée d’un robinet d’arrêt sur l’amenée. L’élément
filtrant est raccordé à cette partie métallique (il suffit généralement
de le tourner d’un quart de tour pour le démonter); il se trouve dans
un corps transparent fermé hermétiquement au moyen d’un joint
torique ou de garnitures plates. Dans un système bitube, le filtre à
mazout doit être accompagné d’une soupape antiretour dans la
conduite de retour.
élément filtrant en matière plastique
VDAB
L’élément filtrant
L’élément filtrant peut être en métal ou en matière plastique. Son
pouvoir filtrant est exprimé en microns ou µm. Plus ce chiffre est bas,
meilleure est la filtration.
Choix du filtre
Débit
• Installation bitube: le débit du filtre = 4 x le débit de la pompe
élément filtrant en métal
• Installation monotube: le débit du filtre = 4 x le débit du gicleur
Elément filtrant
VDAB
Comme on le voit clairement ci-dessus, l’offre de filtres est très variée.
C’est le pouvoir filtrant qui est le plus important. Plus ce chiffre est
bas, meilleure est la filtration. Les pouvoirs filtrants standard les plus
utilisés tournent autour des 100 µm. Avec les brûleurs à gazéification et les brûleurs à recirculation, le fabricant oblige les utilisateurs
à fonctionner avec un pouvoir filtrant de 40 microns maximum ou
même moins.
Filtre monotube
Filtre monotube
VDAB
Un filtre monotube consiste en une liaison entre la partie aspiration
et la partie retour, et est toujours équipé d’un purgeur d’air. Comme
l’air n’est pas purgé automatiquement dans un système monotube,
ce dispositif permet de purger manuellement. C’est une solution
peu coûteuse pour les systèmes monotubes: quand il y a des fuites
sur l’aspiration ou que le client tombe régulièrement en panne de
mazout, il faut purger manuellement la conduite de mazout.
Filtre bitube
Avec un filtre bitube, il n’y a pas de liaison entre l’amenée et le retour.
16
Filtre bitube
Filtre à dégazage automatique
Un système monotube avec filtre monotube fonctionne très bien
aussi longtemps qu’il n’y pas de fuites sur l’aspiration et que le client
ne tombe pas en panne de mazout, car il faut alors purger manuellement la conduite de mazout. Or, même dans une installation en
parfait état, il y a toujours une petite quantité de gaz qui se forme et
qui crée une dépression.
Thomas De Jongh
Aspiration d’air
Un purgeur automatique apporte une solution à ce problème.
Ce purgeur se compose d’un système à flotteur qui dégaze en
permanence la conduite de mazout au niveau de l’aspiration de
combustible pendant que le brûleur fonctionne. Dans ce cas, il n’est
pas nécessaire de retirer la vis de by-pass de la pompe à mazout. Ce
système peut être fourni avec ou sans filtre.
CEDICOL
CEDICOL
Fonctionnement du dégazeur
Dégazeur
17
Un dégazeur standard suffit pour les puissances installées chez les
particuliers. Pour équiper des installations plus puissantes de ce système, il y a lieu de monter plusieurs dégazeurs en parallèle.
Thomas De Jongh
Dégazeurs montés en parallèle
Syntra M- Vlaanderen
Tigerloop
18
VDAB
3.2.7
Les flexibles
La pompe à mazout et le filtre sont raccordés au moyen de flexibles.
Il s’agit de conduites en caoutchouc protégées par une chemise en
acier tressé.
Les deux extrémités des flexibles sont munies de raccords coniques.
Il est donc important d’utiliser les bons raccords. Les produits d’étanchéité du genre Teflon sont exclus, car ils risquent d’endommager
aussi bien le filetage que la partie conique.
VDAB
Flexibles
VDAB
Conisch deel flexibel
WATTS
Flexible
Raccordement s
19
20
4. Les éléments du brûleur à mazout
4.1 La bride de fixation
Oertli
La bride de fixation permet de monter facilement le brûleur sur la
chaudière. Cette bride de brûleur peut aussi servir de support pour le
brûleur en position d’entretien.
Il y a généralement des avant-trous percés aux mesures standard
des brides de brûleur sur les portes des chaudières, quelle que soit la
marque.
En général, la bride de brûleur sert aussi à empêcher de placer le
brûleur n’importe comment.
Riello
Brûleur en position d’entretien
Thomas De Jongh
Instructions de montage du brûleur
(Les instructions de montage du brûleur sont différentes d’une marque à
l’autre.)
Un joint résistant à la chaleur doit être placé entre la bride et la porte
de la chaudière. Il empêche l’aspiration d’air entre la bride et la porte
ainsi que l’échappement de gaz de combustion par cette voie.
Lors du montage du brûleur, il faut aussi toujours tenir compte de
la position de la tête de flamme dans le foyer. Si la tête de flamme
arrive trop loin dans le foyer (petit foyer), on peut utiliser des brides
intermédiaires. Les dimensions exactes sont différentes d’un fabricant
à l’autre.
. Bride de raccordement brûleur
Thomas De Jongh
Bouche de brûleur
21
4.2 La pompe à mazout
Weishaupt
4.2.1But
La pompe à carburant a une double fonction
• l’aspiration de l’huile à partir du réservoir de carburant
• déplacer le carburant à l’injecteur
4.2.2Fonctionnement
Il existe trois categories de pompes:
Danfoss
1. les pompes centrifuges: elles servent uniquement à faire
circuler un fluide. Elles comportent un côté aspiration et un côté
refoulement, mais le fluide n’est pas mis sous haute pression.
Pompe centrifuge
Danfoss
2. les pompes à plongeur: elles ont pour but de mettre le fluide
sous pression. En principe, ce système devrait suffire pour servir
de pompe à mazout mais sa construction est trop complexe
pour cette application.
Pompe à plongeur
Thomas De Jongh
22
Pompe à engrenage
3. les pompes à engrenage: c’est le principe qui est utilisé dans
un brûleur à mazout. Avec un brûleur conventionnel, on utilise
une pompe de surpression classique. Cette pompe remplit deux
fonctions:
1. aspirer le combustible dans le réservoir pour l’amener au
brûleur;
2. refouler le combustible sous pression.
4.2.3Construction
Une pompe à mazout est équipée d’un engrenage, d’un engrenage
à denture hélicoïdale ou d’un système similaire. La rotation des roues
dentées crée une dépression du côté de l’aspiration (1). Sous l’effet
de la pression atmosphérique exercée à la surface du fluide dans le
réservoir, le combustible est aspiré dans l’engrenage (1). Le pignon
et la roue dentée tournent en sens convergent et le volume compris
entre les dents se réduit, ce qui amène le combustible sous pression
à la soupape du régulateur de pression (2).
Thomas De Jongh
Principe de fonctionnement de la pompe à engrenage
L’engrenage
Quand le pignon et la roue dentée tournent en sens convergent,
le volume compris entre les dents se réduit. Quand le pignon et la
roue dentée tournent en sens divergent, le volume entre les dents
augmente et une dépression se crée, aspirant immédiatement une
nouvelle quantité de mazout dans le réservoir.
Danfoss
L’engrenage trochoïdal se compose d’une couronne dentée extérieure placée dans une plaque d’engrenage et d’une roue dentée qui
se trouve sur l’arbre de la pompe. La couronne dentée est entraînée
par la roue dentée quand l’arbre est en rotation. Le ‘couvercle’ d’engrenage, qui contient une conduite d’aspiration et une conduite de
refoulement se situe de l’un des côtés de la roue dentée. Le corps de
la pompe se trouve de l’autre côté de la roue dentée.
Quand la roue dentée tourne, le combustible est aspiré par les interstices entre les dents et il est ensuite propulsé par ces mêmes interstices. Il se crée ainsi un côté aspiration et un côté refoulement dans
l’engrenage. Du côté aspiration, le gasoil est amené vers la soupape
du régulateur de pression.
L’engrenage a besoin d’une lubrification sérieuse. C’est le combustible aspiré qui sert de lubrifiant. Mais pour cela, le mazout doit
posséder de bonnes propriétés lubrifiantes.
Engrenage trochoïdal
VDAB
Engrenage trochoïdal
23
Composants
Danfoss
 pression
 aspiration
 retour
Schéma de principe d’une pompe à mazout (Danfoss)
S: Raccord pour la conduite d’aspiration. Ce raccord peut aussi être
indiqué sur la pompe au moyen d’une flèche indiquant l’entrée de
la pompe. Pour les applications domestiques, la pompe a un raccord
femelle en 1/4.
V: La dépression se mesure à l’aide d’une jauge de vide. Le raccord
indiqué par un ‘V’ sur la pompe se trouve toujours du côté aspiration.
La pompe est lubrifiée par le combustible. L’étanchéité de l’arbre est
assurée par une garniture (bague de garniture). Cette garniture n’offre
aucune résistance mécanique à une pression supérieure à la pression
maximale définie par le constructeur (0,4 à 2,5 bar, la pression maximale prévue par le constructeur).
Weishaupt
Pompe à mazout
24
Danfoss
Installation bitube :
avec vis de BY-PASS (A)
Installation monotube :
sans vis de BY-PASS (A)
Filtre de pompe
La dépression maximale (vide) du côté de l’aspiration de la pompe
en service ne peut pas être supérieure à 0,4 bar. Cette valeur est une
valeur limite absolue qui ne sera atteinte que dans des circonstances
exceptionnelles. Un vide trop élevé dans la conduite d’aspiration de
la pompe est causé par un bouchon dans cette conduite d’aspiration,
un robinet fermé, ... Il entraîne une infiltration d’air extérieur dans les
conduites et la libération de gaz du mazout en raison de la dépression partielle élevée de certains composants volatils (cavitation). Ces
bulles d’air et de gaz interrompent le flux de mazout, et la lubrification du couple d’engrenages mazout n’est plus suffisamment assurée,
ce qui peut provoquer une usure extrêmement rapide et un blocage
de la pompe à mazout, amenant à son tour des dérangements dans
le fonctionnement du brûleur.
• Une mesure entre 0,1 et 0,4 bar: valeurs normales
• Une mesure inférieure à - 0,1 bar: aspiration d’air possible ou
panne de la pompe
• Une mesure supérieure à 0,4 bar: bouchon dans l’amenée
VDAB
H: Element filtrant. Placé dans la partie aspiration, c’est un élément
essentiel, déterminant pour la durée de vie de la pompe. Il doit être
nettoyé ou remplacé lors de chaque entretien.
P: Le raccord du manomètre est indiqué sur la pompe par la lettre
“P” (de pressure). La pression de pulvérisation est réglable de 7 à ±
30 bar, selon le type de pompe. La puissance absorbée dépend du
type de pompe, et change avec la pression et la vitesse de rotation
(hausse du débit). Cette dernière donnée est importante pour déterminer la puissance du moteur qui actionne la pompe. La pression de
pulvérisation se mesure à l’aide d’un manomètre.
M: L’électrovanne ou soupape magnétique. Cette vanne n’est pas
toujours intégrée dans la pompe. C’est surtout dans les modèles plus
anciens que l’électrovanne est un élément séparé, monté dans la
conduite de refoulement qui mène au gicleur. L’électrovanne doit:
• assurer l’étanchéité en direction du gicleur pendant le prérinçage;
• décharger la soupape du régulateur de pression pendant le
prérinçage;
Filtre de pompe
• assurer une coupure immédiate et parfaite quand le brûleur
s’arrête.
L’électrovanne proprement dite se compose de deux éléments:
• la bobine qui crée le champ magnétique et qui ouvre ou referme
la vanne (action électrique, voir le chapitre consacré à l’électricité). En général, la bobine fonctionne sur du 230 V AC mais elle
peut aussi exister en basse tension;
• une partie mécanique qui exécute la coupure physique. Quand
la bobine électromagnétique est excitée, le pointeau est attiré et
se dégage du siège. Le combustible a alors accès au gicleur. Ce
passage s’opère toujours au-dessus du siège (côté pointeau).
25
L’électrovanne se présente en deux versions:
1. Suivant le principe ‘normalement ouvert’ (NO): quand la bobine
est excitée, la vanne se referme.
Thomas De Jongh
Fonctionnement d’une vanne NO
2. Suivant le principe ‘normalement fermé’ (NC): quand la bobine
est excitée, la vanne s’ouvre (voir fig.).
Thomas De Jongh
Fonctionnement d’une vanne NC
26
Danfoss
X
L’axe de la pompe
Fonctionnement régulateur de pression
E: Raccordement de la conduite sous pression vers le gicleur.
X: Arbre de la pompe. Etant donné que ses dimensions sont standardisées, n’importe quelle marque de pompe peut être montée sur
n’importe quel brûleur (mais il faut toujours tenir compte du type de
pompe pour lequel le brûleur est homologué).
La plupart des pompes tournent dans un seul sens. Pour déterminer
le sens de rotation d’une pompe, nous devons l’examiner avec l’arbre
tourné vers nous. Quand on remplace une pompe, il faut respecter le
sens de rotation.
Thomas De Jongh
T: Le régulateur de pression: il est essentiel, pour le bon fonctionnement d’une pompe à mazout, que la pression soit stable et réglable.
C’est à cela que sert le régulateur de pression. Cet élément se compose d’un piston ou plongeur, d’un ressort de compression et d’une
vis de réglage.
O: Dans un système bitube, la pompe est auto-amorçante, ce qui
veut dire que la purge d’air s’effectue via le rétrécissement (O, schéma
page 24). Dans un système monotube à sortie de retour fermée (R), il
y a lieu de dégazer via le raccordement du gicleur (E) ou via le nipple
du manomètre (P).
A: Vis amovible pour travailler avec un système monotube. Suivant la
marque, cette vis doit être enlevée ou tournée d’un quart de tour
Danfoss
Installation bitube :
Installation
avec vis de
monotube :
BY-PASS (A)
sans vis de BY-PASS (A)
Vis de by-pass (Danfoss)
Installation
bitube: vis sans
rondelle
Installation
mono-tube:
vis avec rondelle
Vis de by-pass (Suntec)
R: Raccord de retour (1/4): c’est ici que doit être branché le flexible
utilisé pour le retour.
Le mazout pénètre sous pression par A; E
amène au gicleur. La pression à laquelle se
déroule le processus dépend de la contrainte
exercée par le ressort de rappel sur le piston V.
Plus la charge du ressort est forte, plus la
pression du mazout envoyé vers le gicleur (E)
sera élevée.
Moins le ressort est tendu, moins la pression
de pulvérisation sera élevée et plus le mazout
sera envoyé par G (le by-pass) ou par R (la
conduite de retour).
27
4.3 L’accouplement moteur – pompe à mazout
La pompe à mazout est actionnée par le moteur du brûleur (qui
entraîne aussi le ventilateur). Il faut donc réaliser un accouplement
mécanique entre le moteur et la pompe à mazout. Cet accouplement doit être suffisamment souple pour:
• s’interrompre si la pompe se grippe;
• reprendre un léger écart d’alignement entre l’arbre du moteur et
celui de la pompe.
C’est pourquoi cet accouplement est habituellement réalisé en plastique. L’arbre de la pompe a généralement la forme d’un croissant
sur lequel glisse l’accouplement. Le côté qui s’engage dans le moteur
ou le ventilateur est cannelé à l’extérieur afin de garantir une bonne
robustesse.
CEDICOL
Exemples de raccords
4.4 La conduite sous pression
VDAB
Conduite sous pression
28
La conduite sous pression forme la liaison entre la pompe et la ligne
gicleur. Cette liaison peut être solide (cuivre) ou flexible. Un coude
d’expansion y est parfois réalisé afin d’amortir le choc quand le brûleur démarre.
4.5 La ligne gicleur
Thomas De Jongh
4.5.1
La ligne gicleur et le porte-gicleur
Le volet du gicleur (3) et les électrodes d’allumage (2) sont fixés sur
la ligne gicleur au moyen d’un support. Sur beaucoup de brûleurs, il
est possible de déplacer la ligne gicleur dans son axe de manière à
régler la distribution d’air sur tout le volet du gicleur. Une graduation
permet de mesurer le positionnement de l’accrocheur de flamme
sans démonter la tête de combustion. Le gicleur (1) est monté sur le
même support.
La ligne gicleur se compose d’un bout de tube. Le gicleur est fixé
sur un porte-gicleur. Les porte-gicleur sont standardisés en ce qui
concerne le filetage d’accueil du gicleur (filetage de 9/16” - 24 filets
par pouce). Etant donné que l’étanchéité entre le porte-gicleur et le
gicleur est assurée par un vissage métal sur métal, et que le portegicleur est en laiton, il n’est pas nécessaire d’utiliser une garniture du
genre Teflon.
Ligne gicleur
Des éléments supplémentaires sont souvent intégrés dans la ligne
gicleur. On y trouve, par exemple, le préchauffeur de fioul et la soupape du gicleur.
4.5.2
Le gicleur
Le gicleur a pour fonction de produire un fin brouillard de gouttelettes d’un liquide donné. Lorsqu’on utilise des gicleurs dans la combustion de combustibles liquides, cette fine dispersion sert à bien
mélanger le liquide avec l’air comburant, et à produire ainsi un mélange bien inflammable. Le liquide nébulisé s’échauffe mieux et plus
vite, ce qui accélère le processus de combustion. En outre, le gicleur
assure l’amenée ininterrompue du combustible, ce qui empêche la
flamme de s’éteindre.
Composition et fonctionnement du gicleur
Steinen
Dans un gicleur à pulvérisation, la pression d’amenée du liquide
est transformée en énergie cinétique et donne ainsi au liquide une
vitesse relativement élevée par rapport au gaz ambiant. Beaucoup de
gicleurs destinés à un usage général sont de ce type (comme ceux
des sprays déodorants ou des sprays pour plantes). Un autre gicleur
de ce type est le gicleur dit unidirectionnel. La figure ci-dessous
donne un exemple de ce type de gicleur.
Coupe d’un gicleur
29
Danfoss
Parties d’un gicleur
Ce gicleur a la particularité de diffuser un très large brouillard, ce
qui assure un bon mélange des gouttelettes avec l’air comburant, à
condition que ce dernier soit amené de manière adéquate, dans la
quantité voulue et à la bonne vitesse. Ce type de gicleur pulvérise le
liquide dans une chambre de turbulence par des canaux d’alimentation tangentiels qui impriment au fluide une vitesse angulaire élevée.
Il se forme alors une espèce de noyau d’air au centre de la chambre
de turbulence. La chambre de turbulence débouche sur un orifice
au départ duquel le liquide en rotation (vortex) se transforme sous
l’effet de forces axiales et radiales en un film liquide creux de forme
conique. L’angle du liquide au sortir de l’orifice est déterminé par
la grandeur relative des composantes tangentielles et axiales de la
vitesse du liquide à la sortie. Le film liquide en rotation se fragmente
sous l’action de forces aérodynamiques et d’instabilités dans les
gouttelettes.
Il existe de nombreuses variantes de ce type de gicleur, produites en
différentes tailles. La capacité peut donc varier de quelques kilos à
quelques milliers de kilos de mazout par heure.
Données typiques du gicleur
Le gicleur classique est caractérisé par:
• le débit nominal;
• l’angle de pulvérisation;
• le cône de pulvérisation.
Le débit nominal
Le débit nominal (débit volumétrique) d’un gicleur est exprimé en
gallons américains par heure (1 USG = 3,78 litres). Quand un débit
de 1 USG/h est mentionné sur un gicleur, ce dernier aura un débit
horaire de 3,78 litres à une pression de 100 PSI (Pound per Square
Inch) ou 6,89 bar.
Influence de la pression de pulvérisation sur le débit
Si la pression de pulvérisation augmente, le débit du gicleur va également augmenter. La relation entre les deux est formulée comme suit:
q2 = q1 p2
p1
Où :
• q2 = le débit après hausse de la pression
• q1 = le débit nominal à la pression de référence (6,89 bar)
• p2 = la pression de pulvérisation souhaitée ou définie
• p1 = la pression de référence
30
Exemple:
• Données: un gicleur de 0,65 USG/h (6,89 bar)
• Question: quel est le débit de ce gicleur quand la pression monte
jusqu’à 10 bar?
Solution:
• q1
= 0,65 USG/h x 3,78 l/h = 2,457 l/h
• p2 = 10 bar
• p1 = 6,89 bar
• q2 =
10
2,457 x
6,89
= 2,96 l/h bij 10 bar
Delavan
Pression de pulvérisation 7 bar
Pression de pulvérisation: 21 bar
Influence de la pression de pulvérisation sur la vaporisation (Delavan)
La pression de pulvérisation influence non seulement le débit mais
aussi la vaporisation du combustible. Comme on le voit nettement
ci-dessus, la vaporisation est beaucoup plus fine à une pression plus
élevée.
Influence de la viscosité sur le débit
La viscosité est une mesure par laquelle on indique le degré de fluidité d’un liquide. Elle est influencée par la température. Plus la viscosité
est élevée et plus le liquide aura du mal à s’écouler. On pourrait en
déduire que le débit augmente quand la viscosité diminue et que
le combustible devient donc plus fluide. Mais c’est exactement le
contraire: quand la viscosité augmente, le débit augmente lui aussi.
Nous y reviendrons plus en détail quand nous étudierons l’utilisation
du préchauffeur.
L’angle de pulvérisation
Il existe des gicleurs qui produisent différents angles de pulvérisation
allant de 30° à 90°. L’angle de pulvérisation est toujours adapté au
foyer et au type de brûleur, et dépend des instructions du fabricant.
31
Thomas De Jongh
Influence de la pression de pulvérisation sur l’angle de
pulvérisation:
Lorsque la pression de pulvérisation est plus élevée, le combustible
prend plus de vitesse dans le gicleur et les gouttelettes deviennent
plus petites et donc moins lourdes. Par conséquent, ces gouttelettes
parcourent une plus petite distance quand elles sortent du gicleur.
Il en résulte un plus grand angle de pulvérisation. Cela influence
évidemment aussi le type de cône de pulvérisation.
Le cône de pulvérisation
Angle de pulvérisation
Danfoss
Une troisième caractéristique des gicleurs est leur cône de pulvérisation. Nous distinguons deux extrêmes entre lesquels se trouvent des
variantes différentes d’une marque à l’autre. Les deux extrêmes sont
le cône plein et le cône creux.
Thomas De Jongh
Cône plein: diffusion uniforme
Cône creux: concentration sur l’anneau extérieur
La norme US n’impose pas de désignation uniforme du type de cône.
Chaque fabricant est donc libre de choisir un code alphabétique
selon le type de cône.
32
Thomas De Jongh
Cône creux
Cône plein
Cône semi-plein
Danfoss
H
S
B
Delavan
A
B
W
Fluidics
HF
SF/S
/
Monarch
PL/NS
AR/R
PL/PLP
Hago
H/SS
B/P/ES
SS
Steinen
PH/H/HT
Q/S/ST
PH/SS
Les différentes marques de gicleurs et leur code alphabétique
Normalisation selon EN 299
Comme le montre la figure 1.41, il y a des différences dans la manière
dont les marques caractérisent les cônes de pulvérisation. Une norme
européenne a été établie afin d’éviter cet écueil et pouvoir changer
aisément de marque de gicleur.
Le débit nominal d’un gicleur ne s’indique plus en débit volumétrique, mais en débit de masse, exprimé en kg/h. La pression de
référence est fixée à 10 bar.
Exemple:
Conversion de l’ancienne caractérisation à la nouvelle normalisation
selon EN 299:
• Donnée: gicleur exprimé en USG/h: 0,50 USG/h
• Question: quel est le débit de masse selon EN 299 (donc à 10 bar)?
0,50 USG/h à 6,89 bar = (0,5 x 3,78) l/h = 1,89 l/h
Nous connaissons la densité du liquide, à savoir 0,845 kg/l.
Débit de masse à 6,89 bar = 1,89 l/h x 0,845 kg/l = 1,597 kg/h.
A 10 bar, cela donne
q2 =
p2
q1 p1
où:
• q2 = le débit de masse à 10 bar
• q1 = le débit de masse à 6,89 bar = 1,597 kg/h
• p1 = la pression de référence: 6,89 bar
• p2 = la pression souhaitée: 10 bar
q2=
10
1,597 x
6,89
= 1,9 kg/h à 10 bar
Le débit du gicleur ne peut s’écarter que de ± 4% du débit nominal
mentionné sur le gicleur.
33
100 PSI 10 bar
30°
45°
60°
50°
80°
50°
70°
60°
70°
70°
80°
.40
1,59
.45
1,76
.50
1,94
.55
2,12
60°
70°
.60
2,36
50°
50°
70°
.65
2,59
50°
50°
70°
.75
2,89
50°
50°
70°
.85
3,31
50°
50°
70°
50°
60°
70°
80°
80°
50°
80°
80°
80°
70°
80°
80°
70°
80°
3,57
3,73
70°
.110
4,33
50°
60°
.120
4,63
50°
60°
.125
4,83
50°
60°
70°
.135
5,19
50°
60°
80°
.150
5,78
50°
60°
80°
.165
6,36
50°
60°
80°
.175
6,74
50°
60°
70°
50°
50°
Cône de pulvérisation
La normalisation européenne n’a conservé que quatre types de
cônes de pulvérisation. Ils sont représentés par les chiffres romains I,
II, III et IV.
Thomas De Jongh
.90
.100
L’angle reste toujours exprimé en degrés. L’angle de pulvérisation
augmente quand il y a une hausse de pression. C’est logique, puisque
la pression de pulvérisation passe de 6,89 bar à 10 bar. L’angle de
pulvérisation n’est pas le même que dans la norme US: en Europe,
on tient aussi compte du volume de combustible pulvérisé; tant le
débit que le schéma de nébulisation ont donc leur influence. Dans
le tableau ci-dessous, nous trouvons une comparaison entre l’angle
selon la norme US et selon la norme européenne EN 299. Ce tableau
correspond à une marque, il est donc repris à titre purement indicatif
dans ce manuel.
Comparaison entre les angles de pulvérisation (à
titre indicatif )
Types de cônes de pulvérisation suivant la norme européenne
Dimensions
Suivant la nouvelle norme européenne, tous les gicleurs doivent avoir
les mêmes dimensions.
Danfoss
nouvelle indication
CEN à 10 bar
code production
ancien indication
à 7 bar
* CEN standard
Dimensions du gicleur selon la norme européenne
34
Sélection du gicleur
Sélection du débit
Nous avons besoin de trois données pour déterminer le débit du
gicleur:
1. la puissance nominale de la chaudière;
2. le rendement, de préférence le rendement nominal, sinon
le rendement de combustion. Si nous ne disposons pas de
données à ce sujet, nous pouvons estimer le rendement de la
chaudière;
3. savoir si le brûleur est ou non préchauffé.
Nous devons évidemment aussi savoir avec quelle pression de
pompe nous allons travailler. En principe, le choix est libre mais la
pression utilisée avec les brûleurs classiques tourne généralement
autour de 10 à 12 bar. Une pression de moins de 10 bar implique des
risques pour la pulvérisation et ne peut être appliquée qu’avec des
brûleurs équipés d’un préchauffeur, mais elle peut quand même atténuer un éventuel problème de bruit.
Les pressions de pompe plus élevées ont, pour leur part, l’avantage
de créer un très fin brouillard de combustible, ce qui améliore le mélange avec l’air comburant. Mais une pression de pompe plus élevée
peut avoir l’inconvénient de produire un bruit gênant.
Quand la viscosité diminue, le débit de combustible diminue lui
aussi. En cas d’utilisation d’un préchauffeur, nous devons donc
prendre un gicleur plus grand ou adapter la pression de pompe pour
obtenir la même puissance que sans préchauffeur. Le risque d’obstruction est moindre avec un gicleur plus grand. Quand il est possible
de travailler à une pression plus basse, le gicleur dure plus longtemps
et le niveau sonore de la flamme diminue également.
La meilleure solution consiste à sélectionner le gicleur et la pression
de pulvérisation recommandés par le constructeur du brûleur. Mais
nous pouvons aussi sélectionner nous-même le gicleur. Il existe trois
manières de le faire:
35
1. A l’aide d’une formule
puissance de la chaudière
débit de pulvérisation =
pouvoir calorifique x rendement (de combustion)
où:
• le débit de pulvérisation exprimé en l/h;
• la puissance de la chaudière en kW;
• le pouvoir calorifique inférieur: le pouvoir calorifique inférieur du
combustible par unité de volume;
• le rendement (de combustion) exprimé en %.
Avec cette formule, nous obtenons un débit de pulvérisation exprimé en l/h. Et pour connaître le gicleur qui convient (en USG/h), nous
devons diviser ce nombre par 3,78. Le résultat est alors exprimé en
USG/h, mais à une pression de pompe de 6,89 bar. Pour sélectionner
un gicleur, nous devons adapter le débit à la pression de pompe
utilisée:
p2
q2 = q1 x
p1
(voir chapitre 5.5.2)
Où :
• q2 = le gicleur à sélectionner après adaptation de la pression;
• q1 = le débit à 6,89 bar;
• p1 = la pression sélectionnée
• p2 = 6,89 bar.
En cas d’utilisation d’un préchauffeur, le débit de pulvérisation diminue d’environ 10 à 15%.
Exemple
Données:
• une chaudière ayant une puissance nominale de 23 - 27 kW;
• pouvoir calorifique inférieur = 9.945 kWh/l;
• rendement de combustion = 91%;
• brûleur à préchauffage;
• nous souhaitons travailler avec une pression de pompe de 12 bar.
Question:
• Quel gicleur devons-nous sélectionner avec une puissance
nominale de 90% de la puissance maximale et une pression de
pulvérisation de 12 bar?
36
Solution:
Etape1: Détermination de la puissance du brûleur, compte tenu du fait
qu’il suffit de 90% seulement de la puissance nominale.
Pn =27 kW . 0,90= 24,3 kW
Tape 2: Déterminer le débit de pulvérisation en l/h.
q =
24,3 kW
9,945 kWh/l x 0,91
= 2,68 l/h
Tape 3: Déterminer le débit de pulvérisation en USG/h.
q =
2,68 l/h
3,78 l/h
= 0,71 USG/h
Le résultat de 0,71 USG/h signifie que nous devons avoir un gicleur
de 0,71 USG/h, que nous le faisons fonctionner à une pression de
6,89 bar et que nous avons une puissance nominale de 24,3 kW.
Tape 4: Or, nous ne voulons pas travailler avec 6,89 bar mais avec 12
bar. Nous allons donc convertir le débit en 12 bar.
p2
q2 = q1 x
p1
0,71 USG/h x
q2 = 6,89 bar
12 bar
=0,54 USG/h + 15% (préchauffage) = 0,62 USG/h
Nous devons donc sélectionner un gicleur de 0,60 ou 0,65 USG, car il
n’existe pas de gicleur de 0,62 USG. Si nous voulons conserver la puissance
prédéfinie de 24,3 kW, nous devrons adapter la pression de la pompe.
Pour un gicleur de 0,60 USG/h, la pression sera de:
gicleur calculé
nouveau pression de pompe = pression x
gicleur choisi
nouveau pression
de pompe =
q2
q1
2
p2
q2
= p1 x
p1
q1
2
p2
=
p1
2
2
0,62
12 x
= 12,8 bar
0,60
37
Pour un gicleur de 0,65 USG/h, la pression sera de:
gicleur calculé
nouveau pression de pompe = pression x
gicleur choisi
nouveau pression
de pompe =
q2
q1
2
p2
q2
= p1 x
p1
q1
2
p2
=
p1
2
2
0,62
12 x
= 10,9 bar
0,65
2. A l’aide d’une règle à calculer
Weishaupt
Règle à calculer
L’illustration ci-dessus nous montre des règles à calculer. Elles nous
permettent notamment de déterminer les gicleurs. Elles sont généralement mises à disposition par les fabricants de chaudières et de
brûleurs.
3. A l’aide de tableaux
Les tableaux en annexe sont calculés selon les principes
suivants:
• Rendement à 91% (Optimaz 1999), sans préchauffage
• Rendement à 93% (Optimaz 2005), sans préchauffage
• Rendement à 98% (Optimaz Elite), sans préchauffage
• Rendement à 91% (Optimaz 1999), avec préchauffage
• Rendement à 93% (Optimaz 2005), avec préchauffage
• Rendement à 98% (Optimaz Elite), avec préchauffage
Nous nous sommes limités aux puissances particulières, jusqu’à
1,00 USG/h.
Les puissances avec préchauffage sont calculées avec un débit réduit
de 15%.
38
Choix du cône et de l’angle de pulvérisation
Il n’existe pas de règles fixes pour déterminer le cône et l’angle,
c’est en premier lieu le fabricant du brûleur qui préconise les caractéristiques avec lesquelles son brûleur fonctionne le mieux. En ce
qui concerne l’angle, on choisira plutôt un gicleur à petit angle de
pulvérisation pour un foyer long et étroit tandis qu’un grand angle
de pulvérisation conviendra mieux pour un foyer court et large pour
éviter que la flamme ne touche pas le fond de la chaudière
Le filtre de gicleur
Les filtres en bronze poreux (2) garantissent une filtration poussée
et offrent de nombreux avantages pour la protection des gicleurs à
faible débit. Les particules de bronze forment une série d’obstacles
qui assurent une filtration plus efficace que les filtres en gaze. Les parties internes du gicleur sont beaucoup mieux protégées. Ces filtres
résistent aux effets agressifs et aux températures élevées.
Le filtre à tamis métallique (1) s’utilise surtout pour les hauts débits de
pulvérisation.
VDAB
Types de filtres
Préchauffeur
Danfoss
Pour les brûleurs de petite puissance, on utilise généralement un
préchauffeur électrique. Ce préchauffeur permet d’amener le mazout
au gicleur à température constante (50 à 90°C, selon le fabricant).
C’est la viscosité du liquide qui est déterminante pour sa résistance à
l’écoulement. En cas de grande résistance à l’écoulement, nous parlerons de viscosité élevée et, en cas de petite résistance à l’écoulement,
de faible viscosité.
La viscosité dépend de la température: à une température donnée
correspond une viscosité donnée du combustible.
Préchauffeur
39
Les avantages du préchauffage
1. Variabilité saisonnière de la combustion
Pour obtenir un bon réglage du brûleur, l’installateur effectuera une
analyse des gaz de combustion. Mais cette analyse des fumées ne
donne qu’un instantané de la qualité de la combustion.
Tout changement des conditions climatiques (température ambiante, pression atmosphérique, humidité de l’air, ...) aura, en effet,
une certaine influence sur cette combustion.
Si le mazout est stocké dans un environnement sensible à la température extérieure, une variation de la température extérieure donnera
lieu, entre autres, à une modification de sa viscosité. Étant donné que
le mazout devient moins fluide (plus épais) quand la température
baisse, et inversement, cette variation de la température influence la
qualité de la combustion.
Un préchauffeur assurera une température constante du mazout,
quelles que soient les conditions atmosphériques.
2. Amélioration du rendement
Le préchauffeur abaisse la viscosité du mazout. Mais la viscosité a
aussi une influence importante sur la taille des gouttelettes formées
au moment de la pulvérisation du mazout.
Thomas De Jongh
Rapport entre la viscosité, la pression de pulvérisation (pression de pompe)
et le diamètre moyen des gouttelettes de gasoil de chauffage pulvérisé
40
Une viscosité plus basse (température plus élevée du gasoil) et une
pression de pompe plus élevée donnent toutes deux lieu à une
réduction de la taille des gouttelettes de combustible.
L’arrivée de petites gouttelettes dans la chambre de mélange de la
tête de combustion rend plus homogène le mélange de combustible et d’air comburant. Au contraire, de grosses gouttes de combustible donnent lieu à une combustion plus lente et à une flamme plus
longue. La surface de contact entre les gouttelettes de combustible
et l’air comburant est en effet inversement proportionnelle au diamètre des gouttes de mazout.
D’un point de vue pratique, nous pouvons dire que, pour obtenir une
combustion sans fumée de fines gouttelettes, il faudra un plus petit
excès d’air que pour la combustion de la même quantité de combustible en gouttelettes plus grosses.
Mais l’amélioration du rendement de combustion dépend de très
nombreux autres paramètres. En tout cas, un préchauffeur améliore
le rendement de combustion de manière assez limitée (généralement moins de 1%). L’emploi d’un préchauffeur améliorera surtout le
rendement annuel. Comme l’effet d’une modification de la viscosité
est limité, nous obtenons une combustion plus stable tout au long
de l’année et la chaudière risque moins de s’encrasser à cause d’une
modification de la viscosité du mazout.
3. Pression de pompe réduite
Comme on l’a vu plus haut, la qualité de la combustion dépend de la
taille des gouttelettes de combustible.
Le graphique (fig. 1.47) montre bien que, pour obtenir les mêmes
gouttelettes moyennes de combustible, on pourra paramétrer une
pression de pompe plus basse si le combustible est préchauffé.
Cette pression de pompe plus basse présente les avantages suivants:
• une usure moindre du gicleur;
• une usure moindre de la pompe;
• un niveau sonore plus bas de la flamme;
• un meilleur démarrage du brûleur.
Lors de chaque démarrage du brûleur, une quantité de combustible
pulvérisé s’enflamme brusquement. Du fait de cet allumage, le volume de gaz augmente brutalement dans la chaudière. C’est principalement l’augmentation de pression ainsi créée qui est la cause de
l’encrassement des éléments du brûleur. Plus précisément, l’encrassement du dispositif d’allumage (électrodes et câbles d’électrode)
résulte dans une large mesure de la pénétration des gaz de fumée
dans le tube de brûleur à chaque allumage, sous l’effet de la hausse
brusque de la pression.
41
Chaque pulvérisation libère aussi bien des grosses que des petites
gouttelettes de gasoil. Mais dans les brûleurs à préchauffage du
combustible, il y a, en moyenne, plus de petites gouttelettes de mazout. Les recherches ont montré que ce sont toujours les plus petites
gouttelettes qui s’enflamment les premières. L’augmentation de la
pression sera donc moins forte en cas de pulvérisation de petites
gouttelettes de gasoil qu’en cas de pulvérisation de gouttelettes plus
grosses.
Le gasoil pulvérisé sur un brûleur à préchauffage comportera en
moyenne plus de fines gouttelettes. De ce fait, l’allumage sera plus
rapide et l’augmentation de la pression dans la chaudière sera moins
élevée.
En fin de compte, le dispositif d’allumage s’encrassera moins vite et
le brûleur nécessitera des entretiens moins fréquents. En outre, un
allumage amélioré rend le démarrage plus doux.
Principe et fonctionnement
De onderstaande figuur toont een verstuiverlijn met geïntegreerde
brandstofvoorverwarmer.
Ligne de pulvérisation à préchauffeur intégré
Danfoss
Ligne de pulvérisation
Composition du préchauffeur
L’élément chauffant proprement dit est une résistance CTP, (PTC en
anglais) ou un élément chauffant électrique classique. L’élément CTP
est un élément électronique dont la résistance électrique augmente
quand la température monte. C’est pourquoi nous parlons d’un coefficient de température positif (CTP).
L’élément CTP peut aussi remplir la fonction de régulateur de température automatique. En présence d’un élément chauffant électrique
classique, cette régulation de la température s’effectue au moyen
d’un thermostat.
La figure illustre la relation entre la température d’entrée et la température de sortie à différents débits de combustible pour un préchauffeur donné.
42
Danfoss
A Port de connection
B Thermostat
C Couvercle
D Joint torique
E Raccordement électrique
F Conducteur de chaleur
G Echangeur de chaleur
H Thermistance (PTC)
I Fixation (Ressorts)
Thomas De Jongh
Relation température de sortie - température d’entrée
La figure 1.50 donne la puissance électrique nécessaire en fonction
du débit de combustible à une température de sortie constante.
Un brûleur réglé sur 2 l/h et 1.500 heures de service par saison de
chauffe consommera durant cette période environ
53 W x 1500 h = 79.500 Wh ou 79,5 kWh
d’énergie électrique pour le préchauffage du gasoil.
Thomas De Jongh
Consommation électrique en fonction du débit
43
Câblage électrique
La figure ci-dessous montre le câblage électrique du préchauffeur de
combustible. Dans l’exemple, la résistance est raccordée entre N et
8 et le contact de libération entre 8 et 3. Cette connexion électrique
varie d’une marque à l’autre.
Gustaaf Flamant
Danfoss
Connexion électrique
4.5.3
Dispositif d’allumage
La haute tension produite par la bobine secondaire du transformateur est transmise aux électrodes via deux câbles à haute tension. Il se
crée ainsi, entre les deux extrémités des électrodes, un arc électrique
qui assure l’allumage du combustible pulvérisé.
Weishaupt
44
VDAB
Transformateur d’allumage
Au moment où le combustible est pulvérisé par le gicleur, il faut un
allumage pour obtenir une flamme. Cet allumage est produit par
un transformateur d’allumage qui convertit la tension réseau (230 V
AC) en haute tension (8.000 V AC). Cette haute tension est nécessaire
pour générer un arc électrique entre les électrodes d’allumage et
enflammer le combustible.
Le transformateur d’allumage classique se compose d’une bobine
primaire, alimentée par la tension réseau, et d’une bobine secondaire
qui fournit la haute tension.
Transformateur classique
Selon le cycle et les caractéristiques du brûleur, nous distinguerons
deux types de transformateurs:
VDAB
• les transformateurs à fonctionnement permanent, calculés pour
résister à un fonctionnement permanent;
• les transformateurs à fonctionnement intermittent, destinés à
fonctionner par cycles de 3 minutes durant 33% de leur temps
de service. Cela revient à 1 minute en service et 2 minutes hors
service.
Par ailleurs, il existe aussi à l’heure actuelle un transformateur électronique qui est plus compact et plus léger que le transformateur
traditionnel..
Le fonctionnement des deux transformateurs est expliqué de manière détaillée dans le chapitre consacré à l’électricité.
Transformateur électronique
Électrodes
Une électrode comprend les éléments suivants:
• une tige conductrice métallique qui transmet la tension (2);
• une tige conductrice métallique qui transmet la tension (2);
• un embout où adapter les câbles à haute tension (3).
VDAB
Il y a lieu de toujours suivre les instructions du constructeur du
brûleur pour déterminer les distances des électrodes par rapport au
gicleur. Ces distances dépendent du type de gicleur.
Un dispositif de serrage, appelé porte-électrode, maintient fermement les électrodes en place. La liaison entre le transformateur et les
électrodes est assurée par deux câbles à haute tension. L’extrémité
de chaque câble est munie, du côté de l’électrode, d’une cosse qui
s’insère sur l’adaptateur.
Le câble peut être fixé ou vissé au transformateur au moyen d’une
cosse.
Blocs électrodes
Dans le temps, les électrodes se composaient essentiellement de
deux électrodes distinctes. A l’heure actuelle, la plupart des brûleurs
sont équipés de blocs électrodes.
45
Câbles à haute tension
Ces câbles assurent la liaison entre le transformateur haute tension et
les électrodes. Un câble à haute tension est un conducteur en cuivre
protégé par une isolation résistante à la chaleur.
VDAB
Hoogspanningskabels
Câbles à haute tension
Gustaaf Flamant
4.5.4 Accrocheur de flamme (volet du gicleur,
stabilisateur)
Fonctionnement
Le stabilisateur accroche la flamme afin d’obtenir un front de flamme
stable. Cette stabilisation est le résultat de la dépression que la vitesse
accrue de l’air crée sur la partie avant de l’accrocheur de flamme.
En général, l’accrocheur de flamme se présente sous la forme d’un
disque de tôle muni d’une ouverture centrale qui laisse passer le
carburant pulvérisé.
Les ouvertures de la couronne, généralement des fentes, servent à:
• amener une quantité déterminée d’air à la base de la flamme;
Accrocheur
• donner à l’air une turbulence créée par la position inclinée des
fentes;
• nettoyer la surface de l’accrocheur de flamme. Il existe de nombreux types d’accrocheurs de flamme. Il y a donc lieu de toujours
suivre les instructions du constructeur.
Thomas De Jongh
Accrocheur
46
Ensemble, la bouche du brûleur et le stabilisateur forment un dispositif mélangeur.
Thomas De Jongh
Dispositif mélangeur
Distribution de l’air dans le tube foyer
Principes du dispositif mélangeur
L’air amené par le ventilateur est divisé en deux courants:
• Une partie de l’air traverse la fente annulaire entre le stabilisateur
et la tête de flamme (‘air secondaire’).
• Une autre quantité d’air traverse le trou central (‘air primaire’).
Comme nous l’avons expliqué plus haut, une zone de mélange ou
zone tourbillonnaire, qui joue un grand rôle dans la qualité de la
combustion, se crée à l’arrière du stabilisateur.
La taille de cette zone est déterminée par la vitesse de l’air au droit du
stabilisateur. Si la vitesse est trop basse (voir page suivante), il n’y a pas
de chute de pression et la zone de mélange est excessivement petite.
Cela donne lieu à une combustion incomplète, même avec un excès
d’air.
47
CEDICOL
Vitesse d’écoulement trop basse
La zone dépressionnaire est petite du fait d’un manque d’air total.
Le cône de pulvérisation doit arriver dans la zone dépressionnaire
(la flamme décroche). Le volet d’air n’est pas ouvert assez grand et la
vitesse est trop basse.
Par contre, si la vitesse est trop élevée (fig. 1.60), la zone de mélange
n’est pas non plus optimale. La flamme est instable et peut même se
décrocher. De plus, une telle zone de mélange provoque une combustion incomplète, même avec un excès d’air.
CEDICOL
Vitesse d’écoulement trop élevée
La zone dépressionnaire est instable. Le volet d’air est ouvert trop
grand. La flamme est soufflée.
En outre, la forme de la zone de mélange n’est pas toujours symétrique par rapport au stabilisateur. Toutefois, la zone peut avoir une
forme symétrique selon la combustion, en fonction de la vitesse de
l’air extérieur et de l’air central.
CEDICOL
Tête de flamme trop étroite
La tête de flamme se referme trop loin, l’air passe plus au centre et la
zone dépressionnaire se déplace davantage vers l’extérieur. La teneur
en CO2 augmente, mais uniquement jusqu’à une certaine limite, sinon
la flamme va décrocher. En cas de démarrage à froid, la contre-pression
peut augmenter dans la chaudière. A ce moment, le cône de pulvérisation n’arrive pas dans la zone dépressionnaire.
CEDICOL
Tête de flamme trop évasée
La tête de flamme est trop évasée. La zone dépressionnaire se déplace
vers l’intérieur, d’où le risque d’une longue flamme creuse. La teneur en
CO2 diminue, mais il y a moins de risque de problèmes au démarrage.
48
La position du gicleur par rapport à l’accrocheur de flamme et par
rapport à l’extrémité de la bouche du brûleur varie en fonction du
type de flamme souhaité (flamme large ou longue). La distance entre
l’accrocheur de flamme et l’extrémité de la bouche de combustion
peut varier entre 0 et 15 mm, en fonction de l’angle de pulvérisation
du gicleur et du diamètre de l’ouverture centrale de l’accrocheur de
flamme.
Il existe aussi des systèmes où l’accrocheur de flamme est réglé sur
une valeur fixe par rapport au gicleur.
Ces valeurs sont données uniquement à titre d’exemple. Consultez
toujours les indications du constructeur du brûleur.
4.5.5
Crachotement du gicleur
Cause
Après chaque arrêt du brûleur, le gicleur peut continuer à crachoter
dans une certaine mesure. Ce phénomène se produit plus particulièrement avec des brûleurs dont la ligne de pulvérisation:
• est équipée d’un préchauffeur de fioul;
• contient un volume relativement important de mazout (brûleurs
de forte puissance).
Les causes suivantes, entre autres, peuvent expliquer ces
crachotements:
• L’air qui se trouve dans la ligne de pulvérisation (porte-gicleur),
entre la pompe et le gicleur, est comprimé.
• Sous l’effet du vide, des bulles de gaz se forment dans la conduite
d’aspiration. Pendant que le brûleur fonctionne, ces bulles de gaz
sont comprimées entre la pompe et le gicleur.
• La température du mazout est plus élevée au démarrage qu’en
régime normal.
Le crachotement du gicleur présente les inconvénients suivants:
• Les gouttelettes de mazout peuvent retomber sur l’accrocheur
de flamme. De ce fait, le volet du gicleur risque de s’encrasser
rapidement.
• Un encrassement grave du volet du gicleur ou foyer peut perturber le fonctionnement du brûleur. Dans ce cas, le mazout peut
continuer à brûler et la cellule photoélectrique va réagir au signal
de flamme présent et déclencher le bouton de sécurité du coffret
de contrôle automatique.
• Le crachotement du gicleur de mazout donne aussi lieu indirectement à une pollution de l’environnement. En général, le mazout qui fuit du gicleur ne va pas brûler. Sous l’effet de la chaleur
du foyer, les éléments volatils vont s’évaporer de ces gouttelettes
tandis que les éléments moins volatils vont former un résidu sur
le foyer ou sur l’accrocheur de flamme. Le mazout imbrûlé se
compose d’hydrocarbures (CxHy) qui arrivent dans l’atmosphère
sans être brûlés. Même en quantité infime, cette émission constitue une contrainte pour l’environnement.
49
Solutions
Danfoss
Filtre de gicleur à soupape d’arrêt incorporée
Le gicleur en soi n’est pas très différent d’un gicleur classique. La
différence réside dans le filtre muni d’un piston à ressort qui coupe
l’amenée de combustible par le gicleur si la pression disparaît.
Il faut toujours un minimum de pression (± 7 bar ou 10 bar) pour
vaincre la charge du ressort.
La valve magnétique
Le mécanisme de la valve magnétique est également intégré dans le
filtre à mazout du gicleur.
Soupape d’arrêt incorporée
Après chaque arrêt du brûleur, l’entraînement de la pompe à mazout
est désactivé. Dès que la pression de mazout tombe sous un seuil
minimum, l’aimant permanent coupe l’amenée. On empêche ainsi le
gicleur de goutter. Lors d’un démarrage du brûleur, la vanne est ouverte par la pression de mazout (à partir d’une pression de ± 2,5 bar).
Attention: le mécanisme de fermeture crée une certaine perte de
pression (± 2 bar). Si la pression de la pompe est réglée sur 10 bar, on
n’obtiendra qu’une pression de ± 8 bar au niveau du gicleur. L’application de ce système oblige donc à adapter en conséquence la
pression de la pompe.
(Ligne) gicleur à soupape à bille à ressort interne combinée
à une pompe à circuit retour interne.
Danfoss
A Tête du gicleur
C Cône du gicleur
D Disque à orifice
H Filtre
Normalement, l’électrovanne est fermée, et le combustible est renvoyé sous pression vers le réservoir (système bitube) ou vers l’aspiration de la pompe (système monotube).
Gicleur à soupape à bille à ressort
A. Gicleur
C. Tête de distribution
D. Sortie gicleur
E. Soupape à bille à ressort
H. Filtre
50
Ce système nécessite une combinaison du gicleur (ou d’une ligne
gicleur spéciale) et de la pompe. Le combustible est aspiré par le filtre
et l’engrenage trochoïdal de la pompe.
Le régulateur de pression (P1) à membrane à ressort régule la pression. Quand l’électrovanne est mise sous tension, le combustible est
amené vers le gicleur.
Danfoss
Schéma hydraulique de pompe
à circuit retour interne
Il faut toujours une pression donnée (± 5 bar) pour ouvrir la soupape
à bille à ressort. Cette soupape se referme quand la pression s’abaisse
à 2 à 3,5 bar.
Par conséquent, quand la pompe s’arrête, le combustible excédentaire est évacué par le conduit de retour, puisque la soupape à bille
a fermé ‘l’évacuation’ par le gicleur. Ce conduit de retour peut être
fermé via la vanne de retour (K) quand on travaille avec un gicleur
normal.
Mais il faut tenir compte de la détermination de la compression de la
pompe, puisque ce système a une résistance supplémentaire d’environ 1,6 bar.
51
Danfoss
La soupape de gicleur à conduite de retour
Avant chaque démarrage du brûleur, le mazout est réchauffé par le
préchauffeur. La dilatation thermique du mazout peut provoquer
une fuite par le gicleur. L’amenée de mazout au gicleur est coupée
par une soupape à fermeture rapide qui ne s’ouvre qu’à une pression
d’au moins 6 bar. La préventilation du brûleur débute dès que la température est atteinte, et une fois que l’électrovanne mazout s’ouvre, la
soupape à fermeture rapide s’ouvre sous l’effet de la pression. A l’arrêt
du brûleur, on empêche le crachotement en mettant la ligne gicleur
hors pression via la conduite de retour.
Weishaupt
Coupe d’une ligne gicleur avec vanne dans la
conduite de retour interne (Weishaupt)
1. Préchauffeur
2. Piston
3. Siège
4. Filtre
5. Injecteur
6. Robinet d’arrêt
7. Conduite de décompression
8. Alimentation préchauffeur
Conduite
d’aspiration
Conduite
de retour
Brûleur avec conduite de retour
52
4.6 Tube foyer
La bouche du brûleur dirige le flux d’air sur le combustible pulvérisé. La bouche du brûleur est un élément cylindrique en acier, fonte,
inox ou céramique, selon la marque, et est dotée d’évasements et de
resserrements. Elle est démontable. Les tubes foyer sont disponibles
en version ouverte et en version fermée.
Weishaupt
Bouche de brûleur fermée
53
4.7 Coffret de contrôle automatique (relais de brûleur)
4.7.1
But du coffret de contrôle automatique
Le coffret de contrôle automatique remplit une double fonction:
• coordonner les différentes étapes du processus de combustion;
• mettre le brûleur hors service quand la flamme ne se développe
pas ou qu’elle se développe mal.
4.7.2Généralités
Pour se conformer aux instructions de sécurité, l’installation de
combustion doit être équipée d’une protection de flamme automatique, ou dispositif automatique de brûleur. Les actions de protection
varient en fonction du type de brûleur, mais les principes suivants
sont toujours d’application:
• Le combustible qui afflue dans le brûleur doit être allumé dans
le laps de temps le plus court puis continuer à brûler sans
interruption.
• Selon la charge du brûleur, il y a lieu de prévoir une durée maximale pendant laquelle le combustible peut affluer sans s’enflammer. Ce temps, qui est tellement court qu’une quantité très peu
dangereuse de combustible peut s’écouler, s’appelle le temps de
sécurité.
• Si, à la suite d’un dérangement, la flamme devait s’éteindre
pendant le fonctionnement, elle doit se reformer par rallumage
ou bien l’amenée de combustible doit s’interrompre à la fin du
temps de sécurité. On parle alors de remise en marche.
Weishaupt
54
• Les dérangements de l’installation du brûleur (y compris ceux du
coffret de contrôle automatique), qui empêchent une formation
normale de la flamme ou sa protection, doivent interrompre
ou bloquer automatiquement le fonctionnement du brûleur
et mettre l’installation en panne. L’état de panne est signalé par
une lampe témoin et par le verrouillage mécanique du relais de
brûleur. Ce verrouillage peut être levé uniquement à la main.
Nous sommes ainsi sûrs que le brûleur a bien été remis en service
volontairement et qu’il est sous contrôle.
Les fonctions de protection du brûleur sont donc liées automatiquement à des fonctions de commande: le processus de combustion
doit être commandé, surtout au démarrage et en cas d’anomalies,
de telle façon qu’une situation dangereuse ne puisse se produite à
aucun moment. Il ne peut pas y avoir, p.ex., d’amenée de combustible si ce dernier ne peut pas s’enflammer vraiment.
L’amenée de combustible est commandée par:
• un moteur de brûleur pour un démarrage direct;
• une soupape électromagnétique pour un démarrage indirect.
Dans ce cas, nous parlons du temps de rinçage: c’est le temps
pendant lequel la chambre de combustion est ventilée, également appelé prérinçage ou préventilation. Certains brûleurs ventilent aussi la chambre de combustion après une interruption de
la flamme. On parle alors de post-rinçage ou de post-ventilation.
Le but du prérinçage est de chasser vers la chaudière les gaz de
combustion encore présents dans le foyer afin de faire tomber la
contrepression dans le foyer et d’obtenir un meilleur démarrage.
Le dispositif d’allumage électrique est entraîné par un transformateur
haute tension. On parle ici de:
• temps d’allumage: le temps pendant lequel le dispositif d’allumage fonctionne;
• temps de pré-allumage: le temps qui sépare la mise en service
du dispositif d’allumage et l’amenée libre du combustible. Un
pré-allumage sert à préchauffer les électrodes et la couche d’air
qui les sépare, de manière à ce que le combustible s’enflamme le
plus vite possible quand l’électrovanne s’ouvre.
• temps de post-allumage: le temps qui sépare la première apparition de la flamme et la désactivation du dispositif d’allumage.
55
CEDICOL
4.7.3 Classification des types de dispositifs
automatiques des brûleurs
1. Relais électrothermique
‘Programmation thermique’ veut dire que la programmation passe
par un relais thermique. Un relais thermique se compose d’un bilame
entouré d’une résistance. Quand la résistance est mise sous tension,
elle dégage de la chaleur, laquelle fait se courber le bilame qui réalise
le contact ou coupe le contact.
Relais électrothermique
VDAB
2. Relais électronique
Un relais électronique est commandé depuis un microprocesseur qui
reçoit tous les signaux et donne aux composants l’ordre de démarrer
ou non.
Tous les brûleurs de la génération actuelle sont équipés d’un relais
électronique. Programmation électronique veut dire que non seulement un microprocesseur reçoit tous les signaux mais aussi qu’il
dirige tout. Ce type de brûleur peut conserver un historique des
évènements.
Un premier type de relais électronique est celui où le déroulement
du cycle et les diagnostics se lisent sur le bouton de déverrouillage
qui possède trois couleurs: rouge, orange et vert. Les combinaisons
de couleurs et le clignotement rapide ou lent indiquent ce que fait le
brûleur.
Un deuxième type est celui où le témoin de dérangement (de couleur rouge) clignote à une vitesse donnée. La vitesse de clignotement
indique ce qui fonctionne bien ou les erreurs. Le brûleur n’est verrouillé que quand le témoin de dérangement reste rouge.
Relais électronique
CEDICOL
Une fiche permet de raccorder des laptops, des PDA ou même certains types d’analyseurs de gaz de combustion sur ces deux types de
relais et de demander un historique complet du relais de brûleur.
3. Relais électromécanique
‘Programmation électromécanique’ veut dire qu’un moteur synchrone entraîne une série de cames ou de disques qui établissent le
contact ou coupent le contact. Ce type de relais s’applique surtout
pour les fortes puissances.
56
Relais électromécanique
4.7.4 Programme du coffret de contrôle
automatique (relais)
L’enclenchement et le déclenchement d’un brûleur peut être commandé par voie électrique. Il suffit pour cela d’un seul contact qui
organise l’amenée ou la coupure du courant pour la commande. On
utilise généralement pour cela le contact d’un thermostat qui doit
maintenir une température constante à une valeur de consigne dans
l’eau de la chaudière ou dans l’air d’une pièce de séjour.
Dès que la température mesurée tombe sous la valeur de consigne,
le thermostat réclame de la chaleur. Le contact va donc se refermer
et mettre le brûleur en marche. Inversement, le brûleur est désactivé
par l’ouverture du contact thermostatique dès que la température a
atteint la valeur souhaitée.
Si le coffret de contrôle automatique n’a pas de circuit de commande, le thermostat se trouve dans le conducteur d’alimentation
en courant et la tension est soit activée soit désactivée. Quand on
travaille avec un relais électronique, ce principe est absolument déconseillé parce que ce genre de relais doit rester sous tension.
Quand le coffret a un circuit de commande, la partie commande
est coupée et le dispositif automatique reste sous tension. Pendant
la période de repos, la cellule photoélectrique et l’amplificateur de
courant restent sous tension, si bien qu’il y a un système de détection
permanent.
La manière dont les différents éléments du brûleur sont mis en
service après une commande de démarrage est définie dans des
exigences de sécurité qui varient en fonction du type et de la charge
du brûleur.
A chaque brûleur correspond un programme déterminé de mise
en service, qui minute les fonctions de commande des éléments du
brûleur. Leur ordre doit dépendre de l’apparition de la flamme. Si
ces conditions ne sont pas remplies durant le temps de sécurité, le
démarrage doit s’interrompre et le dérangement sera signalé.
La flamme doit être contrôlée en permanence pendant le fonctionnement du brûleur. En cas de dérangement (p.ex. l’extinction de la
flamme), un autre programme de commande entre en action. On
essaiera de lever le dérangement en répétant la mise en service. Si
ce redémarrage échoue, le brûleur est immédiatement désactivé et
verrouillé.
57
CEDICOL
Principe de la protection du brûleur
Nous voyons clairement que le coffret de sécurité et le brûleur
forment un circuit fermé. Il s’ensuit que les éléments principaux de
ce circuit s’autoprotègent dans une large mesure. Si un dérangement apparaît quelque part dans le circuit, et donc pas uniquement
au droit de la flamme, le circuit normal est interrompu. Tout dérangement grave, dans quelque élément que ce soit, empêche le
démarrage du brûleur. Une des exigences de principe en matière de
sécurité – l’autoprotection – est ainsi respectée.
Certains relais ont aussi une protection contre les baisses de tension. Cette protection électronique assure la mise hors service du
brûleur quand la tension descend au-dessous d’un niveau donné et
empêche qu’il redémarre avant que la tension ait atteint une valeur
acceptable.
Principe de la protection du brûleur
1. Commutateur de
commande
2. Commande
3. Protection de
flamme
4. Dérangement
5. Eléments du brûleur
6. Flamme
7. Coffret de contrôle
automatique
8. Brûleur
Brûleurs à démarrage instantané
Ce type de commande du brûleur ne s’applique plus à l’heure
actuelle, mais nous le retrouvons encore surtout dans la première
génération de brûleurs à mazout.
Thomas De Jongh
Cycle de brûleur
CEDICOL
Fig. 1.75. Cycle de brûleur à démarrage instantané
Fonctionnement normal
A – B (Tv): Quand il y a une demande de chaleur, le brûleur va entamer le pré-allumage.
B – C (Ts): Le moteur démarre, l’allumage continue de fonctionner.
Comme le moteur entraîne tant la pompe que le ventilateur, le combustible est immédiatement pulvérisé et doit s’enflammer pendant
le temps de sécurité (10 secondes). Si ce n’est pas le cas, le transformateur s’arrêtera. Si aucune flamme n’est détectée, le brûleur se met
immédiatement en sécurité.
C – D: Fonctionnement normal.
Coupure de flamme en service
Schéma de brûleur à démarrage instantané
1. Pompe à mazout
2. Gicleur
3. Amenée
4. Retour
58
T. Transformateur
M. Moteur
L. Alarme
F. Détecteur de flamme
D – E: Si la flamme se coupe, pour quelque raison que ce soit, le
moteur arrêtera de tourner (plus de pulvérisation de combustible),
le transformateur se remettra à fonctionner et le moteur redémarrera après un certain temps. A partir de ce moment, la flamme a 10
secondes pour se former. Si l’allumage ne se produit pas, le brûleur se
mettra en sécurité.
CEDICOL
Brûleur à pré-allumage et préventilation
Cela reste l’une des configurations les plus usitées: un brûleur à
électrovanne.
Cycle de brûleur
Thomas De Jongh
Schéma de brûleur à pré-allumage
et préventilation
1. Pompe à mazout
2. Électrovanne
3. Gicleur
4. Amenée
5. Retour
T. Transformateur
M. Moteur
L. Alarme
F. Détecteur de flamme
V. Électrovanne
Cycle de brûleur à pré-allumage et préventilation
Régime normal
A – B: Quand il y a une demande de chaleur, le moteur commence à
tourner, entraînant le ventilateur et la pompe. Il s’agit de la préventilation et du temps de pré-allumage. La détection de flamme fonctionne également pendant ce laps de temps. Si une lumière parasite
ou prématurée est détectée, le brûleur se mettra en sécurité au point
B.
B - B’: au point B’, l’allumage s’arrête. (t1 = temps de post- allumage)
B – C: Au point B, l’électrovanne est activée et il doit y avoir formation
de flamme. La flamme doit s’être formée pendant la période B – B’
(temps de sécurité). Si ce n’est pas le cas, le brûleur se mettra en
sécurité.
C – D: Le brûleur est en régime normal.
D – E: Si la flamme se coupe pour quelque raison que ce soit, le relais
va essayer de démarrer une nouvelle fois. Le cycle reprend à A.
59
Brûleur à préchauffage, pré-allumage et préventilation
Du point de vue hydraulique, cette application est identique à un
brûleur à pré-allumage et préventilation. Par contre, sur le plan électrique, il faut encore un raccordement pour le préchauffage.
Satronic
Raccordement électrique de brûleur à préchauffage,
préventilation et pré-allumage
CEDICOL
60
Thomas De Jongh
Diagramme de fonctionnement de brûleur à préchauffage,
préventilation et pré-allumage
Régime normal
A’ – A: Temps de préchauffage. La cellule photo-électrique d’un relais
électronique va fonctionner durant la période Tw, en ce sens qu’un
contrôle de lumière parasite y est effectué. Si cette lumière est également détectée, le brûleur se met en sécurité.
A – B: Quand le préchauffage est arrivé à température, le contact OW
se ferme et le brûleur commence à préventiler (t1). Avec un relais
électronique, le pré-allumage va aussi démarrer quelques secondes
plus tard (voir période t3), tandis qu’avec un relais électrothermique
traditionnel, le pré-allumage a lieu en même temps que la préventilation (t1). La détection de flamme fonctionne également pendant ce
laps de temps. Si une lumière parasite ou prématurée est détectée, le
brûleur se mettra en sécurité au point B.
B – C: Au point B, l’électrovanne est activée et il doit y avoir formation
de flamme durant la période TSA (temps de sécurité). Si la flamme ne
s’est pas formée, le brûleur se mettra en sécurité. T3n représente le
temps de post-allumage.
C – D: Le brûleur est en régime normal.
Si la flamme se coupe pour quelque raison que ce soit, le relais va
essayer de démarrer une nouvelle fois. Le cycle reprend à A.
61
4.7.5
Fonction de diagnostic du relais électronique
Le microprocesseur permet au relais électronique de donner un état
de la position de fonctionnement ainsi qu’une indication du problème en cas de panne.
L’affichage se fait généralement via le bouton de déverrouillage. La
manière la plus simple de signaler les problèmes est, selon la marque,
le code couleur ou la séquence des témoins LED dans le bouton de
déverrouillage. Il est également possible d’établir une liaison via une
interface infrarouge entre le coffret de contrôle automatique et un
laptop, un PDA ou même un opacimètre. Nous reprenons ci-dessous
les possibilités des deux marques les plus courantes: Siemens et Satronic. Les diagnostics de fonctionnement et d’erreur décrits ci-dessous sont donc liés à une marque et à un type. Consultez toujours le
manuel du fabricant pour connaître les codes exacts.
Siemens
Fonctions générales
Conditions de la mise
en service
Sous-tension
Contrôle de temps
préchauffeur de fioul
• Si le contact de libération du préchauffeur de fioul
ne se ferme pas dans les 10 min, une coupure de
dérangement se produit.
Programme de
commande en cas
de dérangements
• En cas de coupure de dérangement, les sorties
pour les robinets d’arrêt de combustible et le dispositif d’allumage sont, en principe, désactivées
immédiatement (< 1 sec).
• Après une coupure de dérangement, le relais
reste verrouillé (coupure de dérangement non
modifiable), le témoin lumineux rouge de dérangement s’allume. Cet état se maintient également
en cas de coupure de tension réseau.
• Un déverrouillage immédiat est possible après
une coupure de dérangement. Maintenez la touche de déverrouillage enfoncée pendant environ
1 sec (< 3 sec).
• En cas de coupure de la flamme pendant le service,
une répétition peut se produire max. trois fois. A
la quatrième coupure de la flamme pendant le
service, une coupure de dérangement est activée.
Coupure de
dérangement
Déverrouillage du
coffret automatique
Limitation des
répétitions
62
• Le boîtier de contrôle automatique est verrouillé.
• Contacts fermés dans la ligne d’alimentation de phase
• Pas de sous-tension
• Capteur de flamme éteint, pas de lumière parasite
• Coupure de sécurité depuis la position de service en
cas de baisse de tension réseau en-dessous de 165 V
• Redémarrage en cas de hausse de la tension
réseau au-dessus de 175 V
Fonction de diagnostic pendant le service
Tableau des codes couleur
Tableau
des codes
couleur
Etat
Couleur
Préchauffeur de fioul réchauffé, temps
d'attente 'tw'
orange
Phase d'allumage, allumage activé
orange
Service, flamme en ordre
vert
Service, flamme mauvaise
vert
Sous-tension
jaune - rouge
Dérangement, alarme
rouge
Lumière parasite avant démarrage brûleur
vert - rouge
clignotement rouge
Diagnostic d'interface
Fonction de diagnostic en cas de dérangement
Après une coupure de dérangement, le témoin rouge de dérangement reste allumé sans interruption. En pareille situation, il est possible d’activer le diagnostic visuel de dérangement selon le tableau
des codes couleur en activant le bouton de déverrouillage plus de 3
secondes. L’actionnement répété du bouton de déverrouillage pendant plus de 3 secondes active le diagnostic d’interface.
Code des clignotements
Cause possible
2 x clignotement
Pas de formation de la flamme à la fin du temps de
sécurité:
• robinets d’arrêt du combustible défectueux ou
encrassés
• capteur de flamme défectueux ou encrassé
• mauvais réglage du brûleur, pas de combustible
• dispositif d’allumage défectueu
3 x clignotement
• Libre
4 xclignotement
• Lumière parasite au démarrage du brûleur
5 x clignotement
• Libre
6 x clignotement
• Libre
7 x clignotement
Coupure trop fréquente de la flamme pendant le service (limitation des répétitions):
encrassés
• mauvais réglage du brûleu
8 x clignotement
• Contrôle de temps préchauffeur de fioul
9 x clignotement
• Libre
10 x clignotement
• Erreur de câblage ou erreur interne, contacts de sortie
63
Satronic
Statronic n’utilise pas différentes couleurs, mais uniquement une
couleur rouge dans une séquence déterminée: signal long, signal
bref, longue pause et courte pause.
Fonctions générales
Conditions de la mise
en service
Sous-tension
• Le boîtier de contrôle automatique est verrouillé.
• Contacts fermés dans la ligne d’alimentation de phase
• Pas de sous-tension
• Capteur de flamme éteint, pas de lumière parasite
• Coupure de sécurité depuis la position de service
en cas de baisse de tension réseau en-dessous de
187 V
• Redémarrage en cas de hausse de la tension
réseau au-dessus de 187 V
Contrôle de temps
préchauffeur de fioul
• Si le contact de libération du préchauffeur de
fioul ne se ferme pas dans les 300 secondes, une
coupure de dérangement se produit.
Programme de
commande en cas
de dérangements
• En cas de coupure de dérangement, les sorties
pour les robinets d’arrêt de combustible et le dispositif d’allumage sont, en principe, désactivées
immédiatement (< 1 sec).
• Après une coupure de dérangement, le relais
reste verrouillé (coupure de dérangement non
modifiable), le témoin lumineux rouge de dérangement s’allume. Cet état se maintient également
en cas de coupure de tension réseau.
• Un déverrouillage immédiat est possible après
une coupure de dérangement. Maintenez la touche de déverrouillage enfoncée pendant environ
1 sec (< 3 sec).
Coupure de
dérangement
Déverrouillage du
coffret automatique
Fonction de diagnostic pendant le service
Etat
Couleur
Phase d'allumage, allumage
rouge
actionné
rouge
Temps de sécurité - post-allumage
rouge
Entreprise
rouge
Dérangement, alarme
Légende
64
Tableau des
codes couleur
= clignotement long
= clignotement court
= longue pause
= courte pause
rouge pendant
10 sec
Fonction de diagnostic pendant un dérangement
Si le brûleur tombe en dérangement, le témoin lumineux rouge reste
allumé sans interruption pendant 10 secondes, avec ensuite une
pause de 0,6 seconde, après quoi le LED rouge se met à clignoter
suivant une séquence déterminée. L’ordre de cette séquence indique
la nature de la panne.
Code des
clignotements
CEDICOL
Le détecteur
de flamme
Cause possible
1 x court
clignotement,
4 x long
clignotement
Pas de formation de la flamme à la fin du temps de
sécurité:
encrassés
• mauvais réglage du brûleur, pas de combustible
• dispositif d’allumage défectueux
2 x court
clignotement,
3 x long
clignotement
• Lumière parasite au démarrage du brûleur
4.7.6
Le détecteur de flamme
Le détecteur de flamme établit si la flamme est présente ou non
et donne les instructions correspondantes. Nous distinguerons les
détecteurs optiques et les détecteurs électriques.
Les détecteurs optiques sont classés suivant le spectre lumineux:
• cellule photorésistante lumière visible;
• la cellule photo-électrique lumière visible;
• la cellule ultraviolette;
Le détecteur de flamme
• la cellule infrarouge.
Détecteurs électriques:
• le thermocouple;
• l’ionisation.
Le détecteur le plus courant pour brûleurs conventionnels est la
cellule photorésistante: sur les brûleurs à recirculation et les brûleurs
à pulvérisation, c’est la cellule infrarouge qui est utilisée.
65
VDAB
La cellule photorésistante ou LDR
(Light Dependent Resistance)
Dans l’obscurité, la photorésistance est très élevée (quelques dizaines
de Megaohm - MΩ). Plus la cellule est éclairée, plus basse est sa
résistance.
Le contrôle de flamme d’un brûleur (protection de flamme) repose
sur le principe de cette modification de valeur de la résistance.
Cellule photorésistante
VDAB
Principe de la photorésistance
Cellule photorésistante
La perte de tension (UI) aux bornes de la cellule photorésistante est
élevée et la tension (U2) aux bornes du relais (A) ne suffit pas pour
activer le relais. Si la valeur de la photorésistance diminue sous l’effet
de la lumière, la perte de tension se réduit et la tension aux bornes
du relais est suffisamment élevée pour activer ce dernier.
Avec une cellule photorésistante, il n’est pas nécessaire de tenir
compte d’une polarité.
Thomas De Jongh
Modification de la résistance
en fonction de la lumière
66
CEDICOL
Si la valeur de la photorésistance (FR) est élevée, l’intensité du courant (1) qui parcourt le circuit est faible.
Siemens
La cellule photoélectrique, ou cellule sélénium
Une cellule photoélectrique, aussi appelée cellule photovoltaïque,
transforme les ondes électromagnétiques de la lumière en énergie
électrique lorsqu’elle est exposée à une source lumineuse.
La tension générée est de quelques millivolts.
Cellule photoélectrique
Siemens
Cette cellule est constituée d’une plaque de métal doux avec une
couche de sélénium d’environ 0,1 mm. Le contre-électrode est quant
à lui composé d’une très fine couche d’or ou de platine, pratiquement translucide.
Une cellule photoélectrique fonctionne comme un générateur dans
un spectre de lumière 0,4 à 0,7 microns (micromètres), son capteur
est sensible uniquement à la lumière visible (pratiquement insensible
aux rayons ultraviolets ou infrarouges).
Comme une tension continue est induite, la polarité de la cellule
photoélectrique doit etre respectée.
Fonctionnement cellule photoélectrique
La cellule ultraviolette
La cellule sensible aux rayons ultraviolets se compose d’un tube
sous vide rempli d’argon et de deux électrodes symétriques. Le tube
est en verre quartzeux, qui absorbe peu de rayons ultraviolets et
laisse passer plus de lumière que le verre ordinaire. L’alimentation
est assurée à une tension alternative d’environ 230 V sur les bornes
de la cellule. Quand les rayons ultraviolets touchent le tube, le gaz
s’ionise. Cette ionisation provoque un effet d’avalanche et, de ce fait,
les particules neutres se chargent électriquement. Le tube devient
conducteur et envoie le courant vers l’amplificateur.
La cellule ultraviolette
Les rayons ultraviolets d’une flamme de mazout suffisent à ioniser la
cellule. Le courant qui parcourt la cellule est amplifié, ce qui permet
d’actionner le relais de flamme. Le courant est mesuré à l’aide d’un
microampèremètre. La cellule, qui est sensible aux rayons ultraviolets
(0,19-0,27µm), n’est donc pas sensible à la lumière visible.
Siemens
Schéma de raccordement pour la mesure
du courant dans une cellule ultraviolette
67
Satronic
Exemple de cellule infrarouge
La cellule infrarouge
Siemens
Une cellule infrarouge est une photodiode qui fonctionne comme
conducteur sous l’effet de rayons infrarouges. Les brûleurs à flamme
bleue (et donc aussi les brûleurs à gaz) rayonnent fortement dans
la partie infrarouge du spectre lumineux (au-dessus de 0,8 µm). Ce
n’est pas seulement la flamme, mais aussi toutes les parties incandescentes, comme les parois du foyer, qui émettent des rayons dans
la portion infrarouge du spectre. La cellule infrarouge est conçue
de telle manière qu’elle ne réagit qu’aux variations d’intensité de la
flamme. La cellule est donc toujours dotée d’un amplificateur qui ne
doit réagir qu’à ces variations d’intensité.
VDAB
Schéma de raccordement d’une mesure de
contrôle de cellule infrarouge
L’ionisation
fvb-ffc constructiv
L’électrode d’ionisation
Pour les flammes qui émettent peu ou pas de lumière, nous avons
recours à l’ionisation.
CEDICOL
L’extrémité de l’électrode d’ionisation doit se trouver dans la partie
la plus chaude de la flamme. Lors de l’établissement d’une tension
alternative entre la masse du brûleur et l’électrode, les gaz ionisés de
la flamme (conducteurs électriques) génèrent un courant continu
comme signal de flamme (effet redresseur de la flamme). Ce signal
est amplifié par un amplificateur à transistor de manière à ce que
le relais de flamme soit attiré. L’électrode d’ionisation à extrémité
thermorésistante doit être bien isolée. La résistance par rapport à la
masse doit donc dépasser les 100 MΩ (Megaohm = 106 ohm) après
un long temps de fonctionnement.
CEDICOL
L’électrode d’ionisation
Schéma de raccordement pour la mesure d’un courant d’ionisation
FE: Électrode d’ionisation - M: Microampèremètre
68
4.8Moteur
CEDICOL
Dans les brûleurs de composition classique, le moteur se trouve dans
la même ligne que la pompe à mazout et le ventilateur. Quand le
moteur tourne, la pompe à mazout (qui accumule déjà de la pression) et le ventilateur (qui aspire l’air et le refoule en direction de la
chambre de combustion) tournent en même temps.
Certains brûleurs pour maisons privées sont équipés d’un moteur
monophasé. Dans l’industrie, ou pour des puissances supérieures,
on a généralement recours à des moteurs triphasés qui sont pilotés
à l’aide d’un relais intermédiaire. Le chapitre consacré à l’électricité
donne davantage d’informations sur le fonctionnement électrique
d’un moteur.
Le ventilateur d’un brûleur est un élément aéraulique qui doit posséder des caractéristiques bien précises et non généralisables.
Moteur monophasé
4.9Ventilateur
VDAB
Les caractéristiques varient en fonction du type de brûleur pour
lequel le ventilateur est monté. Le ventilateur assure l’amenée d’air et
la pression nécessaire pour vaincre la résistance du générateur au flux
des gaz de combustion.
Le ventilateur du brûleur est du type centrifuge. Les ailettes sont
orientées vers l’avant ou vers l’arrière. Pour éviter les vibrations, elles
sont toujours équilibrées de façon dynamique.
Pour déterminer le sens de rotation, nous devons examiner le ventilateur par le côté des bouches d’aspiration. Comme il existe différentes
manières d’établir le sens de rotation, il est recommandé de mentionner précisément de quel côté le ventilateur doit être examiné (ouvert
ou fermé).
Ventilateur classique
à ailettes recourbées vers l’avant
Pour un brûleur à un étage, la courbe débit/pression de sortie doit
être très raide (courbe A dans le graphique sur prochaine page), pour
vaincre la forte contre-pression qui se crée dans la chambre de combustion au moment de l’allumage . Si cette courbe devait être plus
plate, il y aurait une réduction drastique de la pression d’air, ce qui
provoquerait des problèmes d’allumage.
Pour les puissances plus fortes, les caractéristiques de la courbe
A montrent une faible pression de sortie, ce qui rend impossible
69
Thomas De Jongh
l’utilisation du ventilateur pour de pareilles applications. En effet, le
ventilateur ne parviendrait jamais à vaincre la résistance à la tête de
combustion et la contre-pression du générateur de chaleur.
La courbe A est caractéristique des ventilateurs à ailettes recourbées
vers l’avant à forte courbure, la composante tangentielle de la vitesse
relative w de l’air à la sortie du ventilateur étant proportionnelle à la
vitesse tangentielle u de la turbine.
Comparaison entre un ventilateur à ailettes recourbées vers l’avant
et un ventilateur à ailettes recourbées vers l’arrière, comparaison des
différents facteurs qui déterminent la vitesse du fluide à la sortie du
ventilateur
Caractéristiques débit/pression de sortie
d’un ventilateur
La grande déviation du flux d’air avec ce type de turbines impose
d’utiliser beaucoup d’ailettes, mais ces dernières doivent être très
courtes afin de réduire le frottement avec le fluide. De ce fait, le
mouvement du fluide est difficile à contrôler. Étant donné les fortes
turbulences à la sortie de l’ailette, les ventilateurs ont un niveau
sonore très élevé.
VDAB
Dans les brûleurs à plusieurs tubes-foyers, l’allumage se réalise à une
puissance plus faible, si bien que les pics de pression sont eux aussi
limités dans les mêmes proportions pendant l’allumage. Il n’est donc
pas nécessaire de rechercher une pression de sortie élevée pour une
faible puissance. La courbe débit/pression de sortie doit toutefois
être plus lente, de sorte que la haute pression de sortie reste maintenue à une puissance plus élevée et que les plages de fonctionnement du brûleur sont aussi larges que possible.
En partant de cette théorie ou cette considération, un ventilateur
muni d’ailettes orientées vers l’arrière nous permet d’obtenir une
courbe ‘plate’ avec cependant une pression de sortie élevée à grande
puissance, un faible niveau sonore et des dimensions compactes.
Ce ventilateur présente l’avantage que les turbulences sont plus
faibles à la sortie de l’ailette, ce qui assure une baisse du niveau sonore tout en réduisant la puissance absorbée.
Ventilateur à ailettes recourbées
vers l’arrière
70
L’aspect négatif est le diamètre très grand de ce type de turbine.
En outre, le diamètre influence aussi les dimensions du logement
du ventilateur et, par conséquent, les dimensions du brûleur. Toutefois, il est possible de contourner cet inconvénient en concevant
une double courbure du profil des ailettes: la plus grande partie de
l’ailette a alors un profil recourbé vers l’arrière tandis que son extrémité seule a un profil recourbé vers l’avant. L’échange d’énergie
entre l’ailette et le fluide augmente ainsi, sans qu’il faille pour autant
déroger aux caractéristiques et aux avantages des ailettes recourbées
vers l’arrière.
4.10Le régulateur d’air
Un des grands avantages d’un brûleur à mazout est qu’il peut être
réglé sur n’importe quelle puissance (dans la plage de son débit de
fonctionnement). Comme nous l’avons déjà dit plus haut dans ce
chapitre, il est possible d’adapter le débit de mazout par le biais de la
sélection du gicleur et de la pression de la pompe. Si nous modifions
le débit du combustible, nous devrons évidemment adapter aussi
le débit d’air via le régulateur d’air. La quantité d’air nécessaire pour
la combustion est régulée par le régulateur d’air. Le régulateur d’air
se situe généralement du côté de l’aspiration du ventilateur, mais il
existe aussi des brûleurs où la régulation de l’air se fait du côté du
soufflage. Les deux principes se trouvent parfois réunis.
On distingue essentiellement deux grands principes:
• un volet d’air à fermeture non automatique;
• un volet d’air à fermeture automatique.
Weishaupt
Vue d’ensemble d’alimentation d’air
4.10.1 Le volet d’air à fermeture non automatique
Volet d’air à fermeture non automatique
A l’heure actuelle, on n’utilise plus le système à volet d’air à fermeture
non automatique. Dans ce système, le volet d’air est réglé sur une
ouverture donnée et reste toujours dans cette position. Le grand
inconvénient de ce principe est qu’à l’arrêt, il y a toujours un flux d’air
qui traverse le brûleur et la chaudière. La chaudière subit donc un
refroidissement forcé quand elle ne tourne pas, ce qui représente
une perte. Par contre, l’avantage du système est la ventilation permanente de la cheminée qui réduit le risque de condensation (mais
il existe d’autres solutions pour cela, voir le chapitre consacré aux
cheminées - régulateur de tirage).
71
VDAB
4.10.2 Le volet d’air à fermeture automatique
Les brûleurs de la nouvelle génération fonctionnent avec des volets
d’air à fermeture automatique qui se referment automatiquement
quand le brûleur ne fonctionne pas.
Le volet d’air proprement dit peut être exécuté de différentes
manières.
Principe mécanique:
Le volet se compose d’une fermeture en métal léger ou en plastique,
montée sur un axe; son ouverture est actionnée par la pression du
ventilateur. Quand le ventilateur cesse de tourner, le volet d’air se
referme.
Volet d’air mécanique
Principe électromécanique
Weishaupt
Ici, le volet d’air est monté sur un servomoteur qui fait partie du cycle
du relais de brûleur. Après la préventilation, le servomoteur s’active
et ouvre le volet d’air. Un contact de fin de course est l’organe de
contrôle qui envoie au relais de brûleur le signal de poursuivre le
reste du cycle. L’avantage de ce système est que le brûleur se met
en sécurité quand le volet d’air ne s’ouvre pas correctement et donc
quand il y a un risque de combustion incomplète.
Servomoteur de volet d’air
Principe hydraulique
CEDICOL
On utilise ici la pression de la pompe. Un raccord supplémentaire
est pratiqué sur le côté compression de la pompe à mazout; il est
raccordé à un vérin (‘piston’) qui ouvre à son tour le volet d’air. Quand
le brûleur est désactivé, la pression de la pompe retombe et, par
conséquent, le volet d’air se referme.
CEDICOL
72
Volet d’air hydraulique
Volet d’air hydraulique
Principe à deux moteurs
Dans cette version, deux moteurs sont présents sur le brûleur: un
moteur classique monophasé qui actionne la pompe à mazout et
un second moteur, généralement à courant continu, qui commande
le ventilateur. La régulation de ce moteur s’effectue au moyen d’une
commande de fréquence qui fait tourner le ventilateur en continu
plus vite (plus d’air) ou plus lentement (moins d’air).
Weishaupt
ventilateur avec
réglage de vitesse
moteur pour la pompe
de mazout
Second moteur
CEDICOL
4.10.3 Le volet d’air de régulation de la pression d’air
Outre ces volets d’air primaire, les brûleurs sont parfois aussi équipés d’un second volet d’air qui ne sert pas à adapter le débit mais à
réguler la pression de sortie. Ce sont surtout les brûleurs destinés au
marché de la rechange qui en sont équipés. Leur avantage est que
non seulement ils permettent d’adapter le débit du brûleur mais que
la pression peut elle aussi être mieux adaptée en fonction du type de
chaudière ou du tirage de la cheminée. Les chaudières en dépression
présentent, par exemple, le risque d’un soufflage de la flamme sous
l’effet combiné d’une pression de sortie trop forte au droit de l’accrocheur de flamme et d’une dépression trop élevée dans la chaudière.
Dans ce cas, le volet d’air peut être réglé pour la pression de sortie, ce
qui résout le problème.
Régulation de la pression de sortie
(Elco Heating Solutions)
6. Échelle de réglage
7. Vis de déblocage
73
4.11La fiche euro 7 pôles - raccordement électrique
VDAB
Le principe de fonctionnement d’un brûleur est très simple en soi:
si les bornes d’alimentation du coffret de contrôle automatique
reçoivent une tension, le relais va enclencher le cycle de fonctionnement du brûleur. Les brûleurs de l’ancienne génération étaient aussi
raccordés de la manière suivante: une phase et un conducteur neutre
vers l’alimentation vers l’alimentation; tous les composants de régulation et de sécurité étaient en série avec le conducteur de phase.
Dans le cadre de l’uniformisation, il a été décidé de passer à des
fiches 7 pôles (également appelées fiches euro ou fiches Wieland). Le
raccordement de la fiche est décrit dans la norme DIN 4791. Depuis
lors, tous les types de brûleurs peuvent être raccordés sur toutes les
chaudières sans modifications électriques.
Fiche à sept pôles
La fiche possède sept raccordements:
• L1 ou le conducteur de phase;
• une prise de terre;
• N ou le conducteur neutre;
• T1;
• T2;
• S3;
Siemens
• B4.
Le principe est que la tension est raccordée entre L1 et N. C’est aussi
dans ce circuit que sont placés tous les composants de sécurité
(l’aquastat de sécurité, le fusible électrique et les autres composants
de sécurité). Ainsi, s’il y a un réel problème de sécurité, le brûleur est
mis entièrement hors tension.
Les composants de régulation (aquastat, thermostat d’ambiance, ...)
sont raccordés entre T1 et T2.
S3 n’a pas de fonction essentielle mais peut être utilisé pour raccorder un témoin lumineux de dérangement externe.
B4 est un contact raccordé en parallèle sur l’électrovanne et sur
lequel on peut raccorder un compteur horaire et/ou un indicateur
lumineux.
Raccordement électrique chaudière-brûleur
74
Un atout supplémentaire du principe de la fiche à 7 pôles est qu’en
mesurant sur les bornes, on peut rapidement déterminer si un
problème se situe dans le circuit de commande ou dans le circuit de
puissance.
4.12Le capot du brûleur
Oertli
Le capot protège le brûleur contre la saleté et l’humidité, et remplit
également une fonction esthétique. Mais il est important de contrôler, lors du réglage du brûleur, si le capot n’a pas d’influence sur
l’amenée d’air. En effet, il se peut que la valeur de suie soit de 0 sans
capot mais qu’elle monte à 1 ou 2 avec capot. Dans ce cas, il y a lieu
d’en tenir compte lors de la mise au point du brûleur.
Le capot du brûleur
75
76
5. De
Le brûleur
LOW NOx brander
Low NOx
5. Le brûleur Low NOx
5.1 Introduction
Au cours des dernières décennies, on a vu arriver sur le marché des
brûleurs dont les techniques de combustion étaient nouvelles ou
améliorées.
Ces nouvelles techniques ont généralement pour objectifs:
• une combustion à émission réduite de substances nocives;
• une combustion à des puissances thermiques plus basses.
Certaines techniques visent plusieurs de ces objectifs à la fois.
Les types de brûleurs utilisés à l’heure actuelle pour atteindre ces
objectifs peuvent être classés en deux groupes selon leur principe
technique:
• le brûleur Low NOx ou brûleur à recirculation des gaz;
• le brûleur à gazéification ou brûleur à flamme bleue.
Les techniques ci-dessus peuvent aussi être appliquées dans:
• un brûleur modulant combiné avec les applications ci-dessus.
5.2Problématique
Dans le cadre de la protection de l’environnement, on s’efforce de
réduire les émissions de gaz nocifs tels que CxHy, CO, SO2, NOx, etc.
Les paramètres qui influencent les émissions de NOx (émissions
d’oxydes d’azote) sont:
1.la température de la flamme:
• solution par la construction du brûleur;
2.l’excès d’air:
• solution par la construction du brûleur;
3.le temps de séjour des atomes d’azote dans la zone
la plus chaude de la flamme:
• la géométrie du foyer;
4.la concentration de N2dans le combustible:
• la qualité du combustible.
77
5. De
Le LOW
brûleur
NOx brander
Low NOx
Thomas De Jongh
La figure 1.99 représente le rapport entre l’émission de NOx et la
température de la flamme. Une basse température de la flamme
produit une faible émission de NOx. Une température plus basse de
la flamme s’obtient généralement grâce à la recirculation des gaz de
combustion.
Une combustion à faible excès d’air a pour corollaire une faible émission de NOx. Du point de vue pratique, une combustion à faible excès
d’air peut générer des problèmes, mais une émission réduite de NOx
ne peut évidemment pas s’accompagner d’une émission accrue de
CO et de suie.
Rapport NOx - température de la flamme
5.3 Le brûleur Low-NOx à recirculation des gaz de combustion
CEDICOL
Brûleur avec recirculation
La technique des brûleurs permet d’obtenir une réduction de la
température de la flamme (et donc aussi de l’émission de NOx) grâce
à la recirculation des gaz de combustion.
Dans les brûleurs de grande puissance, cette recirculation des gaz
de fumée s’obtient à l’aide d’un extracteur de gaz. Comme les gaz de
combustion sont recirculés en-dehors de la chaudière/du foyer, nous
parlons de brûleurs à recirculation externe des gaz de combustion.
L’extracteur aspire 20% à 25% des gaz de combustion du conduit de
cheminé et les comprime dans la tête de combustion du brûleur.
Les gaz de combustion et l’air comburant fraîchement amené sont
prémélangés et amenés dans la zone de combustion. La concentration plus basse en oxygène dans l’air comburant amené produit une
basse température de flamme. En fin de compte, la température de
flamme abaissée réduit l’émission de NOx.
Étant donné le coût élevé de l’installation (extracteur, tuyaux de recirculation, ...), le système de la recirculation externe des gaz de combustion n’est pas appliqué avec des brûleurs de faible puissance. Mais
il est aussi possible de recirculer les gaz de combustion ‘en interne’, au
droit de la tête de combustion.
Le même principe s’applique avec la plupart des brûleurs. Un rétrécissement du passage est prévu au droit de la tête de combustion.
Le flux gazeux s’accélère au niveau de ce rétrécissement, créant ainsi
un effet Venturi. Une dépression se crée derrière le rétrécissement et
entraine la recirculation des gaz de combustion.
Comparés aux brûleurs à pulvérisation ‘classiques’, les brûleurs LowNOx à recirculation interne des gaz de combustion possèdent les
propriétés suivantes:
78
5. De
Le brûleur
LOW NOx brander
Low NOx
• Il faut de l’énergie pour générer la recirculation. En comparaison
d’un brûleur à pulvérisation traditionnel équipé d’un même ventilateur et d’un même carter, la puissance thermique maximale
est plus petite avec un brûleur Low-NOx en raison de la perte de
pression de la tête de brûleur Low-NOx et la caractéristique du
brûleur se modifie en conséquence.
• Des turbulences se créent au droit du venturi en raison de la vitesse élevée du flux. Un niveau sonore plus élevé du brûleur peut
en résulter.
• La recirculation des gaz de combustion dans la tête du brûleur
peut entraîner un encrassement accéléré de l’électrode d’allumage. Un entretien préventif est nécessaire.
• Le brûleur est conçu pour fonctionner avec un mélange d’air
comburant et de gaz de combustion. Des problèmes se posent
parfois lors de la mise au point de ces brûleurs placés sur une
chaudière où la dépression dans le foyer est supérieure à la
dépression au droit de la tête de brûleur en raison d’une recirculation rapide.
La recirculation des gaz de combustion dans la tête du brûleur proprement dite provoque une gazéification des particules de mazout
pulvérisées au droit du gicleur. La combustion de ce mazout gazeux
donne lieu à la formation d’une ‘flamme bleue’ (voir plus loin). Cette
flamme bleue a peu d’intensité et est difficilement détectée par une
photorésistance (LDR). C’est pourquoi le recours à un détecteur infrarouge (IR) ou ultraviolet (UV) est souvent nécessaire. Par contre, un
brûleur Low-NOx a 20% à 50% moins d’émission de NOx qu’un brûleur
à pulvérisation classique.
La recirculation s’effectue dans le foyer au droit de la tête de combustion. Une zone dépressionnaire ré-aspire les gaz de combustion et les
mélange à la flamme.
CEDICOL
Fonctionnement d’un brûleur à recirculation
79
5. De
Le LOW
brûleur
NOx brander
Low NOx
Weishaupt
5.3.1 Le brûleur à gazéification
(‘brûleur à flamme bleue’)
Le brûleur à gazéification a pour but de gazéifier entièrement le mazout pulvérisé. La chaleur nécessaire pour la vaporisation est fournie
par les gaz de combustion recirculés.
Brûleur avec recirculation
La recirculation de gaz chauds ajoute un mélange ‘thermodynamique’
à la pulvérisation dans le processus de combustion. Une combustion
presque totale se produit ainsi dans la phase gazeuse avec un excès
d’air minime. Comme le mazout est brûlé à l’état gazeux, la flamme de
ce brûleur a la couleur bleue caractéristique d’une flamme de gaz. C’est
pourquoi nous parlons de ‘brûleurs à flamme bleue’.
Le principe du brûleur à flamme bleue et celui du brûleur Low-NOx
à recirculation présentent de nombreuses similitudes. Le brûleur
à flamme bleue émet donc une faible quantité de NOx. L’un des
principes de ce brûleur à flamme bleue se retrouve dans les figures
suivantes.
CEDICOL
Fonctionnement d’un brûleur à gazéification
L’air comburant est amené par deux conduits latéraux. L’air est mis en
mouvement tangentiel au point de combustion. Au sortir de la forme
conique, une recirculation d’environ 50% des gaz de combustion est
obtenue grâce à l’effet de vortex breakdown (rupture du tourbillon).
80
5. De
Le brûleur
LOW NOx brander
Low NOx
5.3.2
Le brûleur à mazout modulant
Les brûleurs modulants sont également une possibilité pour le
mazout. Cette technique est appliquée depuis longtemps déjà mais,
auparavant, elle l’était surtout dans le secteur industriel. Mais aujourd’hui, il existe déjà des brûleurs modulants pour les puissances
de particuliers. La difficulté réside dans l’adaptation de la quantité de
mazout à la quantité d’air. Une quantité variable d’air peut être régulée par un ventilateur à vitesse variable. Dans les applications particulières, la quantité de combustible peut être adaptée au moyen d’une
pompe volumétrique. Il s’agit d’une pompe à mazout qui n’amène
pas le mazout à une pression supérieure mais qui déplace le mazout.
Plus la pompe tourne vite et plus la quantité de mazout déplacé est
importante. Mais un gicleur ne peut pas fonctionner avec ce système,
car aucune pression n’est accumulée. C’est pourquoi on travaille avec
l’atomiseur ou ‘atomizer’.
Fonctionnement d’un bruleur à mazout modulant
CEDICOL
sans gicleur
Fonctionnement d’un brûleur à mazout modulant
CEDICOL
Pompe volumétrique: le plus qu’ il tourne,
le plus de carburant est fourni
Le mazout est amené par la pompe volumétrique à une pression
d’environ 100 mbar. Ensuite, ce mazout s’écoule sur l’atomiseur qui
tourne à une vitesse d’environ 50.000 tours par minute (il est actionné
par la pression du ventilateur). On peut comparer l’atomiseur à une
petite roue à aubes. Sous l’effet de la vitesse de cette roue à aubes,
le combustible est pulvérisé et mélangé à l’air dans le même temps.
Le mélange ainsi créé est allumé au moyen d’un allumage classique.
La modulation s’obtient en faisant tourner le ventilateur plus vite ou
plus lentement. Comme le ventilateur se trouve dans la même ligne
que la pompe à mazout, cette dernière va, elle aussi, tourner plus vite
ou plus lentement
Le contrôle de flamme de ce genre de brûleurs s’effectue généralement à l’aide d’une protection par ionisation. L’avantage de ce
système est qu’en cas de manque d’air, le brûleur se met en sécurité
avant que la chaudière s’encrasse.
81
5. De
Le LOW
brûleur
NOx brander
Low NOx
5.3.3
Le brûleur à mazout modulant premix
Un deuxième système, particulièrement utilisé pour les brûleurs modulants, est le système premix. Dans ce système, l’air comburant est
préalablement mélangé au combustible, ce qui produit une combustion très homogène.
Weishaupt
Principe de fonctionnement Premix mazout
Composants
Le brûleur se compose de deux éléments:
1. Le brûleur avec ‘coupelle rotative’ et le ventilateur.
Weishaupt
CEDICOL
Pompe de
dosage de
mazout
Eléments d’un brûleur à mazout modulant premix
2. La pompe de dosage de mazout
La pompe de dosage sert à amener le combustible vers le brûleur à
coupelle.
82
5. De
Le brûleur
LOW NOx brander
Low NOx
Fonctionnement
1.Préchauffage chambre de prémélange
En cas de demande de chaleur (1), le chauffage s’enclenche (2) et
réchauffe la chambre de prémélange à une température de 320°C
(temps d’échauffement en fonction de la température de sortie,
jusqu’à environ 6 minutes). La température de la chambre de prémélange s’affiche sur l’écran.
2.Préventilation
Une fois que la température de 320°C est atteinte dans la chambre
de prémélange, le ventilateur (4) démarre et tourne au régime de
préventilation.
3.Allumage
Le ventilateur revient au régime d’allumage (5) et l’allumage (6)
s’enclenche
. En même temps, la pompe à mazout et l’électrovanne d’amenée de
mazout (7) reçoivent une tension. Ensuite, la pompe de dosage (8)
est activée. Le combustible est enflammé et une flamme se forme.
4.Stabilisation de la flamme
S’il y a un signal de flamme (9), le temps de stabilisation de la flamme
suit.
5.Mode de chauffage à petite allure
En état de fonctionnement du chauffage, le mode de chauffage à
petite allure (10) vient d’abord. Pendant la durée du temps de petite
allure, la puissance de chauffe est limitée (en cas de charge d’eau
chaude, le mode de chauffage à petite allure disparaît).
6.Fonctionnement modulant
Le régulateur de température pilote la fréquence de la pompe de
dosage (11) dans la plage de puissance programmée
7.Temps de post-ventilation
Après chaque coupure, après une erreur et après le retour de la tension, le ventilateur fonctionne au régime de post-ventilation (12).
CEDICOL
Déroulement du programme d’un brûleur modulant premix
83
5. De
Le LOW
brûleur
NOx brander
Low NOx
5.3.4 Brûleur à mazout modulant à vanne d’injection
Ce concept utilise un brûleur de surface, où la vaporisation du mazout et son mélange avec l’air de combustion sont séparés de la zone
de combustion. L’élément scindant ces deux fonctions est la surface
du brûleur, qui assure à la fois la répartition du mélange et la stabilisation de la flamme. La modulation de puissance s’effectue au moyen
d’une vanne d’injection qui a été spécialement adaptée pour cette
application. Le mazout est injecté dans l’air de combustion, lequel est
préchauffé par un échangeur de chaleur à air.
Le brûleur se compose des éléments suivants:
• Alimentation et dosage du mazout par une pompe à mazout et
un injecteur
• Alimentation en air par ventilateur, boîtier du brûleur et échangeur de chaleur à air
• Préparation du mélange
• Surface du brûleur
L’alimentation en combustible se fait au moyen d’une pompe à mazout standard. La pression de mazout est toutefois plus faible que pour
les brûleurs courants. La pulvérisation du combustible est assurée par
un injecteur spécialement adapté qui, même avec une faible pression
de mazout, possède les mêmes propriétés de diffusion qu’un gicleur
conventionnel. Le dosage du combustible s’effectue via des interruptions de l’injection, par modulation de la largeur d’impulsion.
Lors du démarrage du brûleur, l’air est préchauffé par une cartouche
électrique. Lors du fonctionnement, l’air est préchauffé par un échangeur de chaleur qui, à son tour, est réchauffé par la flamme du brûleur.
Le système est conçu de manière à garantir la température correcte sur
toute la plage de modulation et à permettre l’évaporation intégrale du
combustible. Un clapet à air règle le flux d’air tant pendant la phase de
démarrage que pendant le fonctionnement normal.
Le combustible est vaporisé et mélangé simultanément avec l’air de
combustion. Le système de mixage assure un rapport air-mazout
optimal ainsi que la distribution sur la surface du brûleur. L’équilibre
entre température et temps de séjour joue un rôle important pour
obtenir une vaporisation complète sans auto-combustion et ce, sur
l’ensemble de la plage de modulation.
La combustion intégrale du combustible évaporé et mélangé avec
l’air a lieu sur la surface du brûleur. Lors de la création, l’on a veillé à
ce que la surface du brûleur ne surchauffe pas tout en veillant à ce
que les émissions de CO et NOx restent inférieures aux seuils les plus
stricts des normes sur toute la plage de modulation.
Une sonde lambda
84
Le disjoncteur de brûleur renferme l’électronique de la commande
du brûleur ainsi que le contrôle des fonctions de sécurité. Le système est également doté d’une régulation de la combustion par
une sonde qui mesure la teneur en oxygène. Une sonde lambda
permet d’adapter en continu le rapport combustible-air aux variations de fonctionnement de l’installation. Le brûleur fonctionne ainsi
constamment avec le rapport combustible-air optimal. L’installateur
ne doit plus rectifier le réglage du brûleur.
5. Le brûleur Low NOx
CEDICOL
5.3.5 Brûleur de recirculation modulant
Cet appareil a le même principe de fonctionnement que les brûleurs
de recirculation classiques. La recirculation des fumées dans le brûleur fait en sorte que les gouttelettes de mazout s’évaporent dans le
tuyau de brûleur.
Ce système est composé de différentes parties:
Principe
• Alimentation et alimentation sous pression du mazout par une
pompe à mazout qui est réglée de manière modulante
• Moteur de ventilateur modulant
• Brûleur qui guide la relation air-combustible
• Réglage intégré qui règle, entre autres, la pression de mazout
René Onkelinx
Oertli
1 Moteur modulant
2 Capteur de pression
3 Pompe à mazout modulante
4 Affichage - Disjoncteur de brûleur
5 Disjoncteur de brûleur
6 Vis de réglage de l’ouverture de recirculation
7 Cellule détectrice de flamme (cellule infrarouge)
8 Point de mesure de la pression d’air à la tête
de brûleur
9 Transformateur du système d’allumage
10 Poignée
11 Câble BUS pour le raccord sur le système
de régulation
12 Tube de flamme
13 Ouverture de recirculation
14 Tuyau de brûleur
15 Platine porte-composants
16 Boîtier de contrôle du moteur modulant
17 Caisson d’air
18 Amenée d’air
19 Tuyaux d’alimentation mazout
20 Poignée + Bride de fixation tuyau
21 Connecteur 230 V
22 Ligne gicleur
23 Réchauffeur
24 Tête de brûleur
25 Prise d’air
26 Gicleur
27 Point de combustion
85
86
6. Les brûleurs à deux allures
Il existe déjà des brûleurs qui fonctionnent à deux allures pour les
grandes puissances (à partir de 100 kW). Ce mode de fonctionnement peut être envisagé pour des considérations techniques,
notamment pour obtenir un démarrage plus souple, mais en général,
il s’agit d’adapter la puissance à la demande, avec une économie
d’énergie à la clé. Il y a déjà longtemps que ces types de brûleurs ne
sont plus réservés aux fortes puissances, et ils sont de plus en plus
souvent utilisés pour des puissances domestiques.
Brûleurs qui fonctionnent à deux allures
87
6.1Types
6.1.1
Démarrage ‘tout ou rien’ à débit limitél
Principe: Quand il y a demande de chaleur, le brûleur s’enclenche
à un débit limité et atteint ainsi entre 75% et 100% de sa pleine
puissance. Dès que le post-allumage est terminé, le brûleur passe à
sa pleine puissance. Si la demande de chaleur cesse, le brûleur ne
développera plus de puissance. Ce mode de fonctionnement s’utilise
surtout pour obtenir un ‘démarrage plus souple’ et permet d’éviter
‘l’onde de choc’ provoquée par l’inflammation du combustible.
Il n’y a qu’un seul volet d’air. La (brève) phase initiale du démarrage se
produit donc avec un excès d’air trop important.
CEDICOL
CEDICOL
Déroulement du programme de démarrage ‘tout
ou rien’ à débit limité
Schéma hydraulique ‘tout
ou rien’ à débit limité
CEDICOL
Déroulement du programme à deux allures
88
6.1.2
Deux allures
Principe: En cas de demande de chaleur, le brûleur est enclenché en
‘première allure’ (r). Après un délai déterminé par le relais programmable, le brûleur passe à la deuxième allure, c’est-à-dire à sa pleine
puissance (p), pour autant que le régulateur signale que cette pleine
puissance est nécessaire. Dans l’autre cas, la première allure est maintenue (plus petite demande de chaleur).
En cas de déclenchement (a) par le régulateur, le brûleur repasse en
première allure (1). Si la puissance développée reste supérieure à la
demande de chaleur, le brûleur s’arrête. Par contre, si la production
de chaleur est insuffisante, le brûleur repasse automatiquement en
deuxième allure. Dans la pratique, la puissance de la première allure
se situe entre 40% et 60% de la puissance nominale de la chaudière.
6.2 La répartition du débit de combustible
avec deux gicleurs
Principe: Dans cette application, la ligne gicleur comporte deux
gicleurs. La ligne gicleur est raccordée à une seule conduite sous
pression, mais chaque gicleur possède sa propre conduite équipée
d’une électrovanne.
CEDICOL
Schéma hydraulique à deux gicleurs
Fonctionnement: Quand il y a une demande de chaleur, le brûleur va
démarrer avec le premier gicleur. La première allure est allumée par
les électrodes d’allumage et, après le temps de sécurité, le transformateur d’allumage est désactivé. En cas de demande de puissance
plus forte, la deuxième allure s’enclenche et est allumée par la
flamme de la première allure.
Détermination des gicleurs: La puissance nécessaire doit donc être
répartie entre deux gicleurs, auquel cas la première allure assure en
général 50% à 70% de la puissance nominale.
Exemple (voir tableaux p. 37 - 46):
• Puissance nominale nécessaire: 70 kW
• Première allure: ± 60% de la puissance totale
• Rendement: 93%
• Pression de pompe souhaitée: 14 bar
• Pas de préchauffage
Solution (voir tableaux des gicleurs p. 37 à p. 46):
• Gicleur 1: 0,85 USG/h à 14 bar = 42 kW
• Gicleur 2: 0,55 USG/h à 14 bar : 27 kW
• Gicleur 1 + 2: 42 kW+27 kW = 69 kW
89
avec un seul gicleur
Principe: La grande différence avec les autres systèmes est qu’on
n’utilise ici qu’un seul gicleur et que la répartition se fait sur base
d’une pompe à mazout à deux pressions différentes.
Le fonctionnement est identique au principe à un seul gicleur.
CEDICOL
Schéma hydraulique un seul gicleur
Détermination des gicleurs:
Selon ce principe, un seul gicleur doit pouvoir délivrer la puissance
totale, mais nous allons travailler avec deux pressions de pompe.
Exemple (voir tableaux p. 37 - 46):
• Puissance nominale nécessaire: 70 kW
• Première allure: ± 60% de la puissance totale
• Rendement: 93%
• Pas de préchauffage
Solution
• Gicleur: 1,00 USG/h
• 60 % de 70 kW: 42 kW = 1.00 USG/h à 10 bar
• 100% de 70 kW: 70 kW = 1.00 USG/h à 28 bar
90
6.3 Le régulateur d’air
VDAB
Comme le débit de combustible est adapté, il faut aussi pouvoir
adapter l’air comburant à la puissance.
6.3.1
Régulation de l’air au moyen d’un servomoteur
Un servomoteur placé sur le volet d’air contrôle les électrovannes et
met le volet d’air dans la bonne position.
Principe de fonctionnement
S’il n’y a pas de demande de chaleur, le volet d’air se trouvera déjà sur
la position de la première allure ou sera fermé, selon la marque du
brûleur. Cette position d’arrêt peut être réglable.
Servomoteur à cames
En cas de demande de chaleur, le volet d’air est mis dans la position
définie de la première allure ou dans une position entièrement ouverte pour revenir ensuite à l’état prévu pour la première allure, selon
la marque du brûleur. Le cycle se déroule comme avec un brûleur à
une seule allure: préventilation, pré-allumage, ensuite l’électrovanne
s’ouvre et la première allure doit fonctionner, après quoi le transformateur d’allumage se coupe.
CEDICOL
Réglage dun servomoteur à cames
En cas de demande supplémentaire de chaleur, le régulateur mettra
la deuxième allure en service en pilotant le servomoteur, qui se tournera vers la position définie pour la deuxième allure. En même temps,
un contact se refermera pour que la deuxième électrovanne s’ouvre.
Avec ce type de commande, il est parfois possible de définir l’ouverture de la deuxième électrovanne. Si cette électrovanne s’ouvre
prématurément, il y a un risque de formation rapide de suie car la
quantité d’air est trop petite par rapport à la quantité de combustible.
Par contre, si l’électrovanne s’ouvre trop tard, il se peut que la première flamme décolle parce qu’il y a excès d’air.
S’il n’y a plus de demande pour la deuxième flamme, le servomoteur
s’inversera, la deuxième électrovanne ne sera plus activée et le brûleur ne tournera plus que sur la première flamme.
S’il n’y a plus de demande de chaleur, l’électrovanne se referme, après
quoi le volet d’air revient à la position de consigne (fermé, première
allure ou autre position, selon la marque), il y aura encore éventuellement une période de post-ventilation et le brûleur s’arrêtera.
91
CEDICOL
6.3.2 Régulation de l’air au moyen d’un vérin
hydraulique ou piston
Le principe de cette régulation est qu’on y recourt à un vérin hydraulique qui ouvre ou referme le volet d’air. Contrairement au servomoteur, ce n’est pas l’ouverture de l’électrovanne qui actionne le vérin.
En cas de demande de chaleur, le moteur démarre (préventilation) et
le transformateur d’allumage (pré-allumage s’enclenche. La pompe
(3) aspire le combustible dans le réservoir via la conduite d’aspiration (1) et refoule le combustible sous pression. Le régulateur de
pression (4) se relève et le combustible reflue vers le réservoir par les
conduites (5-7). La vis (6) coupe le by-pass vers la conduite d’aspiration (dans un système monotube, ce by-pass doit être supprimé).
Les électrovannes non activées (8-11-16) ferment les issues vers les
gicleurs. Le vérin (15), électrovanne A, ouvre le volet d’air: préventilation au débit d’air du premier tube-foyer.
Principe du vérin hydraulique
CEDICOL
Les soupapes électromagnétiques (16) et (8) s’ouvrent. Le combustible s’écoule dans la conduite (9) et est pulvérisé par le gicleur. Le
combustible est allumé. C’est le premier tube-foyer.
Le transformateur d’allumage s’arrête. En cas de demande du deuxième tube-foyer, l’électrovanne (11) du deuxième tube-foyer s’ouvre.
Le combustible s’écoule dans le dispositif (12) et soulève la soupape
de pression. Deux passages sont ouverts: l’un vers la conduite (13) et
le gicleur du deuxième tube-foyer, et l’autre vers le vérin (15), la soupape de pression (B) qui ouvre le volet d’air du deuxième tube-foyer.
Le programme de démarrage se termine
S’il n’y a plus de demande du deuxième tube-foyer, l’électrovanne
(11) se referme et le brûleur bascule du deuxième au premier
tube-foyer.
S’il n’y a plus de demande de chaleur du tout, les soupapes électromagnétiques (8) et (16) se referment. La flamme s’éteint immédiatement. Le volet du ventilateur se referme entièrement.
92
Le volet (ou clapet) hydraulique de l’air
CEDICOL- BAXI
volet de
surpression
6.3.3 Régulation de l’air au moyen d’une ‘volet de
surpression’
Le brûleur est équipé de deux volets d’air: un volet d’air principal,
qui doit être réglé manuellement, et un second volet d’air (volet de
surpression), piloté par un servomoteur. Ce volet d’air est lui aussi
réglable.
le volet d’air
principale
Eléments d’un brûleur à deux allures
avec volet de surpression
Quand il y a une demande de chaleur, le brûleur va préchauffer,
puis préventiler et pré-allumer. Le volet de surpression est dans
une position ouverte. Tout l’air est aspiré par le volet d’air principal.
Comme le volet de surpression se trouve du côté sous pression du
brûleur, en première allure, une partie de l’air aspiré va être renvoyée
à l’extérieur par cette voie. C’est donc le réglage du volet de surpression qui détermine la qualité de la combustion en première allure.
S’il y a trop peu d’oxygène, ce volet de surpression doit être un peu
plus fermé (dans ce cas, il y aura moins d’air renvoyé à l’extérieur et
davantage d’air sera ajouté à la combustion) et inversement. S’il y a
une demande de deuxième allure, le servomoteur s’active sur le volet
de surpression et le referme. Un contact de fin de course placé sur ce
servomoteur provoque l’ouverture de l’électrovanne de la deuxième
allure.
En ce qui concerne l’ordre de réglage, avec ce type de régulation
de l’air, il y a lieu de commencer par mettre au point la deuxième
allure (à l’aide du volet d’air principal) puis la première allure (avec le
réglage du volet de surpression).
On ne recourt pas à ce principe pour les grandes puissances, ce sont
uniquement les brûleurs pour maisons particulières qui fonctionnent
selon ce principe.
Prise de l’air
Servomoteur
Servomoteur du volet de surpression
93
CEDICOL- BAXI
Réglage volet de
surpression
6.3.4 Régulation de l’air au moyen d’un second
moteur
Principe de fonctionnement: L’air comburant est amené par le ventilateur à pilotage séparé. La distribution du mazout s’effectue suivant
le principe d’un gicleur unique assorti de deux pressions de pompe.
Quand il y a une demande de chaleur, pour laquelle la deuxième
allure doit être enclenchée, la régulation intégrée va ouvrir l’électrovanne de la deuxième allure et augmenter la vitesse du ventilateur
à variateur de fréquence.
fvb-ffc Constructiv
Weishaupt
ventilateur avec
réglage de vitesse
moteur pour la pompe
de mazout
94
6.4 Raccordement électrique
CEDICOL
Tout comme c’est le cas pour un brûleur à allure unique, on utilise ici la
fiche à sept pôles. Mais le raccordement T1-T2 sert pour la commande
de la première allure. Une deuxième fiche (généralement la fiche verte)
est utilisée pour le raccordement électrique de la grande flamme.
6.4.1
Contrôle de la deuxième allure
Le signal de passer ou non à la deuxième allure peut être donné de
deux façons:
Deux aquastats
Principe:
Dans ce cas, un second aquastat de réglage est présent sur le tableau
de la chaudière pour assurer le contact qui pilote la deuxième allure.
La mise au point de cet aquastat est essentielle au bon fonctionnement du brûleur à deux allures. Le premier aquastat (première
flamme) doit toujours être défini plus haut que le deuxième aquastat
(deuxième flamme). La différence entre les deux aquastats ne doit
pas dépasser 5°C à 10°C.
Exemple de fonctionnement:
Supposons que le premier aquastat (allure 1) est réglé sur 70°C et
que le deuxième aquastat (deuxième allure) l’est sur 60°C. Quand il y
a une demande de chaleur et que l’eau de la chaudière a une température de 40°C, la première ainsi que la deuxième allure vont s’activer.
Dès que l’eau de la chaudière a atteint une température de 60°C, la
deuxième allure est désactivée. La première allure continuera de
fonctionner aussi longtemps que la demande de chaleur se maintiendra et que la puissance de la première allure sera suffisante pour
atteindre les 70°C. Par contre, si la puissance ne suffit pas et que la
température de l’eau de la chaudière descend en-dessous des 60°C,
la deuxième allure va à nouveau s’enclencher.
CEDICOL
Raccordement électrique
de la deuxième allure
95
Une régulation automatique
Régulation extérieure
Une manière plus efficace de piloter ces deux allures est de recourir à
une régulation extérieure. Avec ce système de régulation, la décision
de faire démarrer ou non la deuxième allure tient également compte
de la température extérieure.
Régulation extérieure combinée à une mesure de la
température de retour
Dans ce cas, ce n’est pas seulement la température extérieure qui
détermine avec quelle allure il faudra travailler, mais on tient aussi
compte de la différence entre la température d’amenée et la température de retour de l’installation. Si la ΔT est élevée, et par conséquent s’il y a une grande demande de chaleur, les deux allures seront
enclenchées. Si la demande de chaleur de l’installation diminue, en
d’autres termes s’il y a moins de consommation, la ΔT diminuera et la
deuxième allure sera désactivée.
96
7. Annexes
7. Annexes
GICLEURS POUR RENDEMENT à 91% - SANS PRéCHAUFFAGE
Débit (USG/h) 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,75 0,85
Pression (bar)
0,9
1
7
10,32
12,04
13,76
15,48
17,20
18,92
20,64
22,36
25,80
29,24
30,96
34,40
8
11,03
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18
19
102
0,9
kW
Les manuels ont été réalisés grâce à la contribution des organisations suivantes :
fvb•ffc Constructiv
rue Royale 132/5, 1000 Bruxelles
t +32 2 210 03 33 • f +32 2 210 03 99
ffc.constructiv.be • [email protected]
© fvb•ffc Constructiv, Bruxelles, 2014.
Tous droits de reproduction, de traduction et d’adaptation, sous quelque forme que ce soit, réservés pour tous les pays.
103
chauffage central
1. Générale
1.1 Chauffage central: généralités et dessins techniques d’installations
1.2 Tuyaux: matériaux, façonnage, joints et fixations
2. Transport de chaleur et emission thermique
2.1 Transport de chaleur: pose de canalisations
2.2 Transport de chaleur: principe, protection et entretien de l’installation
2.3 Emission thermique: corps de chauffe et accessoires
3. Production de chaleur
3.1 Production de chaleur: chaudières de chauffage
3.2 Production de chaleur: accessoires d’installation et instructions de montage
4. Calcul des déperditions thermiques
4.1A Calcul des déperditions thermiques: élaboration théorique *
4.1B Calcul des déperditions thermiques: mise en oeuvre pratique *
5. Technologie de brûleur
ChauFFage Central
5.3a
ChauFFage Central
5.3B
ChauFFage Central
5.3C
le mazouT: caracTérisTiques eT sTockage
FoncTionnemenT eT élémenTs
le conTrôle eT l’enTreTien de combusTion
7. Installations au gaz
7.1 Installations au gaz: canalisations de gaz naturel
7.2 Installations au gaz: combustion et appareils
7.3 Installations au gaz: annexes
* les feuilles de calcul sont disponible sur le site web
building your learning
la bibliothèque numérique
Fonds de Formation professionnelle de la Construction
F264CC
Les brûleurs à mazout :
fonctionnement et éléments
9000000000514

Les brûLeurs à mazout

Transcription

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