Le brûleur à gaz profite des retours de flamme

Le brûleur à gaz profite des retours de flamme

27/11/2006

Une architecture inédite de chambre de combustion réduit sensiblement les émissions de polluants, sans perdre en simplicité. Un procédé en voie d'industrialisation...

Des chercheurs de l'institut de technologie Georgiatech, aux Etats-Unis, ont trouvé une solution pour améliorer la qualité de l'air grâce à un... brûleur à gaz ! Un dispositif très simple qui réduit les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de monoxyde de carbone (CO) - deux gaz toxiques qui jouent un rôle dans l'effet de serre - à des niveaux presque nuls. Derrière cette performance, une géométrie de chambre de combustion inédite, mais très simple.

Traditionnellement, les brûleurs à gaz ou à carburant liquide présentent une forme de tube. Le carburant et l'air sont injectés par une extrémité et en sortent, brûlés, par l'autre extrémité. Le dispositif de Gorgiatech est aussi un tube, mais fermé à l'une de ses extrémités. « Le carburant et l'air sont injectés par l'ouverture. Lorsqu'ils arrivent sur la partie fermée, le flux est stoppé puis contraint de changer de sens pour sortir de la chambre de combustion », explique Ben Zinn, l'un des pères du dispositif, professeur à Georgiatech.

La combustion est plus homogène et plus complète

Un principe dont le système tire son nom barbare de SPRFC (Stagnation Point Reverse Flow Combustor) ou encore chambre de combustion à point de stagnation et renversement de flux. A la différence des brûleurs classiques, où l'air et le carburant sont mélangés avant l'injection, cette architecture SPRFC les introduit séparément via deux injecteurs concentriques. C'est là que la magie opère. D'abord, les composants se mélangent d'eux-mêmes sous l'effet du flux créé. « Au contact du reflux de gaz brûlés, très chaud et chargé en radicaux, ces gaz neufs s'enflamment spontanément, et le ralentissement naturel du flux au fond de la chambre rallonge la durée de combustion », commente Ben Zinn.

Une seule ouverture pour l'entrée et la sortie des gaz

1 - L'injection
L'air et le carburant (gazeux ou liquide) sont injectés séparement dans la chambre par l'injecteur.

2 - La combustion
Les deux composants se mélangent spontanément et forment une flamme.

3 - La sortie des gaz
Alors que la combustion se poursuit jusqu'au fond de la chambre à basse température (moins de 1500°C), le flux de gaz brûlés retourne vers la partie haute du dispositif pour sortir de la chambre.Sa chaleur est transmise au mélange en cours d'injection, provoquant son ignition.

Résultat : le mélange brûle à une température faible (entre 720 et 1 220°C), mais de façon plus homogène et plus complète qu'avec un système classique laissant s'échapper des gaz non brûlés. Les émissions de CO et de NOx s'en ressentent, plafonnant respectivement à 10 ppm et moins de 1 ppm. Des niveaux de performances atteints par les autres technologies (souvent 20 ppm pour les NOx) à condition d'utiliser des dispositifs supplémentaires complexes : recirculation des gaz brûlés, étagement de l'air ou du combustible, ou encore brûleur radiant à prémélange (la température de la flamme est réduite en dissipant une partie de l'énergie de la combustion à travers un matériau poreux). « Le brûleur fonctionne aussi bien avec des carburants fluides que gazeux », complète Ben Zinn.

Un projet mis en place avec la Nasa

Le projet a débuté en 2003 avec la Nasa pour des applications aéronautiques et de turbines à gaz. « Mais cette technologie s'utilise dans un grand nombre d'applications, à commencer par les chaudières domestiques », explique Ben Zinn. Et les différents prototypes construits semblent confirmer les performances, tant sur des systèmes miniatures que sur des dispositifs de grande taille.

Quelques étapes seront encore nécessaires avant l'industrialisation. «Nous travaillons avec des partenaires, afin de mettre au point des prototypes dédiés à des applications spécifiques », annonce le professeur. Dans ce domaine, la simplicité de ce brûleur devrait lui procurer un dernier avantage face aux technologies classiques : le prix, car il s'annonce facile à produire et à maintenir.