Génie Climatique 2012 LE GICLEUR FIOUL

Rôle du gicleur Description et fonctionnement du gicleur Détermination de l’angle et du cône du gicleur Maintenance des gicleurs Conseils

Rôle du gicleur Bien que le fioul soit considéré comme un liquide inflammable, seules ses vapeurs peuvent s’enflammer. Un liquide ne peut se vaporiser qu’à sa surface, il est donc indispensable de donner au fioul liquide une très grande surface pour qu’il puisse se vaporiser rapidement même à basse température. La méthode employée pour augmenter la surface du fioul est de le transformer en très fines gouttelettes qui, ensemble, formeront une très grande surface. Un litre de fioul pulvérisé donne 15 à 20 milliards de gouttelettes représentant une surface développée de 500 m².

Rôle du gicleur Les rôles du gicleur sont : - de pulvériser le fioul en très petites gouttelettes afin de rendre possible son inflammation à une température inférieure au point d’éclair du produit ( 55 °C minimum ), - de répartir les gouttelettes selon la forme de flamme souhaitée, - d’assurer par son diamètre d’orifice et la pression de pulvérisation un débit de combustible réglable et stable. Toutes ces fonctions sont assurées par des pièces mécaniques ajustées avec une grande précision.

Acier Laiton Description et fonctionnement du gicleur Deux types de gicleurs : Acier Laiton

Description et fonctionnement du gicleur Composition d’un gicleur

Description et fonctionnement du gicleur Le fioul sous pression traverse le filtre et la vis de blocage, il se répartit autour de l’obus conique jusqu’à ses rainures.

Description et fonctionnement du gicleur Le passage réduit dans les rainures tangentielles de l’obus conique augmente fortement la vitesse du fioul. Ce qui entraîne sa mise en rotation dans la chambre située au bout de l’obus conique. C’est la disposition des canaux tangentiels qui donnera au fioul pulvérisé son sens de rotation. On définit le sens de rotation du fioul (rotation à droite ou à gauche) en « regardant » la pulvérisation depuis l’intérieur du brûleur. La plupart des gicleurs donnent une rotation à droite, certains comme les « Delavan » ont une rotation à gauche.

Description et fonctionnement du gicleur A l’orifice du gicleur, le fioul se répartit selon un angle résultant de la force due à la pression de sortie et à la force centrifuge due à la rotation rapide du fioul dans l’orifice.

Description et fonctionnement du gicleur L’épaisseur de la veine de fioul est fonction de la viscosité du fioul. Le débit du gicleur est directement lié au diamètre de l’orifice.

Description et fonctionnement du gicleur Pour une même pression, si la viscosité diminue, l’épaisseur de la veine de fioul diminue aussi donc le débit du gicleur diminue. Le réchauffage du fioul diminue la viscosité du fioul. Le débit de fioul diminue de 15 à 20 % selon la température de réchauffage.

Description et fonctionnement du gicleur Processus hydrodynamique de la pulvérisation en fonction de la pression. Malgré l’incompressibilité des liquides, la pression définitive de pulvérisation ne s’établira pas instantanément lors de l’ouverture de l’électrovanne. Ce retard s’explique par : - le remplissage de la ligne gicleur, - l’élasticité des composants de la ligne gicleur, - le temps de réaction du régulateur de pression, - la présence possible de micro bulles de gaz dans le fioul. Ce phénomène appelé « pissette » est observable à la mise sous pression par l’électrovanne mais aussi à la coupure et explique en grande partie les dépôts de fioul cokéfié sur la sole de la chaudière, l’accroche flamme et le tube d’air du brûleur car le fioul non pulvérisé n’est pas brûlé.

Description et fonctionnement du gicleur Pression très faible dans la chambre de rotation, la vitesse tangentielle est insuffisante pour établir le tourbillonnement. La pression augmente, le tourbillonnement s’amorce, apparition de ventres sur le jet de fioul. La pression croit encore, la grosseur des ventres augmente et leur nombre diminue. La pression se stabilise à environ 10 bar, le ventre se referme encore sous l’action de la tension superficielle puis éclate en jet conique.

Description et fonctionnement du gicleur Solutions techniques apportées par les fabricants de brûleurs : - limitation du volume des lignes fioul après l’électrovanne, - inclinaison de la fixation du brûleur pour lui donner une pente vers le foyer de la chaudière, - perçage du canon du brûleur en partie basse pour évacuation du fioul dans la chambre de combustion (attention lors de l’installation du brûleur dans des positions autres que la normale), - système chargé de vider rapidement la ligne gicleur à l’arrêt du brûleur. Solution technique apportée par les fabricants de gicleurs : - système « drop stop » qui se monte en lieu et place du filtre gicleur.

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch Les indications inscrites sur le gicleur : - la marque, - le débit, - l’angle de pulvérisation, - le spectre de la pulvérisation.

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch La marque D’autres marques sont disponibles : - Danfoss - Steinen - Hago - Fluidics - Delavan - ……

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch Le débit Le débit indiqué est en gallons US par heure (3.785 L/USg) pour une pression de pulvérisation de 100 psi (7 bar) et une viscosité 7.5 cSt (à 100 °F)

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch L’angle de pulvérisation C’est l’angle formé par le cône de fioul pulvérisé à la sortie du gicleur sous une pression de 100 psi (7 bar) et une viscosité de 7.5 cSt. On peut trouver des gicleurs avec un angle de 30°, 45°, 60°, 80°. L’angle augmente légèrement si la pression augmente.

Description et fonctionnement du gicleur L’angle de pulvérisation Monarch 0.60 USg/h 60° 60° R

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch Le spectre de la pulvérisation C’est la densité de gouttelettes dans les différentes zones du nuage de fioul pulvérisé. Chaque fabricant à son système de repérage selon le type de cône (plein, semi-plein, creux…).

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° R Monarch Cône plein

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h 60° PLP Monarch Cône semi-plein

Description et fonctionnement du gicleur 0.60 USg/h Monarch 60° PL Cône creux

Description et fonctionnement du gicleur Correspondance des gicleurs selon la marque Cône plein Cône semi-plein Cône creux Danfoss S B H Monarch AR-HV-R PLP PL-NS Delavan W A Steinen Q-S P H-SS Hago ES SS H-PH Type de cône marques

Description et fonctionnement du gicleur kg/h 3.31 EN 70°IV Danfoss Marquage Normalisation Européenne

Description et fonctionnement du gicleur kg/h 3.31 EN 70°IV Danfoss La marque D’autres marques sont disponibles : - Monarch - Steinen - Hago - Fluidics - Delavan - ……

Description et fonctionnement du gicleur kg/h 3.31 EN 70°IV Danfoss Le débit Le débit indiqué est en kg/h pour une pression de pulvérisation de 10 bar et une viscosité 3.4 mm²/s (à 20°C)

Description et fonctionnement du gicleur kg/h 3.31 EN 70°IV Danfoss L’angle de pulvérisation C’est l’angle formé par le cône de fioul pulvérisé à la sortie du gicleur sous une pression de 10 bar et une viscosité de 3.4 mm²/s. On peut trouver des gicleurs avec un angle de 60°, 70°, 80°, 90°, 100°. L’angle augmente légèrement si la pression augmente.

Description et fonctionnement du gicleur kg/h 3.31 EN 70°IV Danfoss Le spectre de la pulvérisation C’est la densité de gouttelettes dans les différentes zones du nuage de fioul pulvérisé. Tous les fabricants sont astreints au même repérage en chiffres romains : I répartition pleine, II répartition semi-pleine, III répartition semi-creuse, IV répartition creuse.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe L’objectif est d’adapter la puissance fournie par le brûleur à la puissance utile de la chaudière dans le cas d’une mise en service du brûleur. Cela peut être aussi de contrôler si la puissance calorifique du brûleur est adaptée à la puissance utile de la chaudière dans le cas de la maintenance.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Plusieurs méthodes : - les tableaux inclus dans les notices techniques des constructeurs de brûleurs, - les règles à calculer spécifiques fournies par les constructeurs de brûleurs, - les abaques, - le calcul.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les tableaux inclus dans les notices techniques Puissance Chaudière = 90 % Débit gicleur Avec réchauffeur Sans réchauffeur Gicleur Pression pompe kW kg/h USg/h bar 15 1.4 0.40 12 20 1.9 0.50 13 25 2.35 0.60 11 30 2.8 0.75 0.65 35 3.3 0.85 40 3.7 1.00 45 4.2 1.10 50 4.7 14 55 5.2 1.25 60 5.3 1.35 65 6 1.50 70 6.6 75 7 1.65 80 7.4 85 8 1.75

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Exemple Puissance Chaudière = 90 % Débit gicleur Avec réchauffeur Sans réchauffeur Gicleur Pression pompe kW kg/h USg/h bar 15 1.4 0.40 12 20 1.9 0.50 13 25 2.35 0.60 11 30 2.8 0.75 0.65 35 3.3 0.85 40 3.7 1.00 45 4.2 1.10 50 4.7 14 55 5.2 1.25 60 5.3 1.35 65 6 1.50 70 6.6 75 7 1.65 80 7.4 85 8 1.75 Puissance utile chaudière: 35 kW Avec réchauffeur. On choisira donc un gicleur de 0.85 USg/h avec une pression pompe de 12 bar.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les tableaux inclus dans les notices techniques Puissance Chaudière = 90 % Débit gicleur Avec réchauffeur Sans réchauffeur Gicleur Pression pompe kW kg/h USg/h bar 15 1.4 0.40 12 20 1.9 0.50 13 25 2.35 0.60 11 30 2.8 0.75 0.65 35 3.3 0.85 40 3.7 1.00 45 4.2 1.10 50 4.7 14 55 5.2 1.25 60 5.3 1.35 65 6 1.50 70 6.6 75 7 1.65 80 7.4 85 8 1.75 Avantages : - facilité d’emploi - adapté au brûleur Inconvénients : - manque de précision - nécessité d’avoir la notice

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Puissance fournie au générateur PCI = 10 kWh/L , rd comb = 92 %

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les règles à calculer spécifiques

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Chaudière 23 kW Rendement chaudière estimé : 90 % Exemple En déplaçant le curseur, placer la puissance chaudière au dessus du rendement de 90 % En lecture directe au dessous apparaît le gicleur et la pression pour du fioul non réchauffé : 0,55 USg/h – 10,5 bar Ou pour du fioul réchauffé : 0,60 USg/h – 11,5 bar Dans les deux cas la consommation de fioul s’élève à 2,55 L/h soit 2,15 kg/h

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les abaques constructeurs

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Exemple Puissance utile chaudière 90 kW Rendement 90 % PCI fioul 11.9 kWh/kg Débit fioul 8,4 kg/h 12 On choisira: gicleur 2,00 USg/h pression 12 bar. On aurait pu choisir: gicleur 1,75 USg/h pression de 15 bar. 8.4

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Calcul pour 1 gicleur , 1 pression Donnée de départ : la puissance utile de la chaudière Exemple : 30 kW Estimation d’un rendement de la chaudière Exemple : 0,9 La puissance calorifique à fournir à la chaudière sera : Pb = Pch / η 30 kW / 0,9 = 33,33 kW Le débit massique de fioul Dm = Pb / PCI fioul 33,33 kW /11,9 kWh/kg = 2,8 kg/h Il faudra donc que le gicleur pulvérise 2,8 kg /h de fioul pour obtenir la puissance utile de la chaudière

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Calcul pour 1 gicleur , 1 pression Il faut convertir le débit massique en débit volumique Dv = Dm / masse volumique, 2,8 kg/h / 0,84 kg/L = 3,33 L/h Le débit gicleur est exprimé en gallons US /h 1 gallon U S = 3.785 L. Il faut effectuer la conversion du débit volumique 3,33 L/h / 3,785 L/USg = 0,88 USg/h Le débit nécessaire est donc de 0,88 USg/h. La pression de référence pour le débit indiqué sur le gicleur est de 100 PSI soit 7 bar, il serait donc théoriquement possible d’équiper le brûleur d’un gicleur de 0,88 USg/h comme calculé mais la pression de référence de 7 bar est insuffisante pour assurer une bonne pulvérisation. On devra donc utiliser un gicleur légèrement inférieur qui nécessitera une pression de pulvérisation supérieure.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe USg/h L/h 30° 45° 60° 80° 0.4 1.51 0.45 1.70 0.50 1.89 0.55 2.08 0.60 2.27 0.65 2.46 0.75 2.83 0.85 3.21 1.00 3.785 Le gicleur de 0.88 USg/h n’existe pas. Il faut donc choisir un gicleur inférieur. Ce qui obligera à remonter la pression de pulvérisation Au feeling, on peut choisir un gicleur de 0.65 USg/h

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Il faudra recalculer la pression de pulvérisation ou pression de pompe (Ppe), pour que le gicleur de 0,65 USg/h débite 0,88 USg/h Ppe = (débit souhaité / débit gicleur)² . 7 bar Ppe = (0,88 / 0,65 )² * 7 = 12,8 bar Pour fournir une puissance utile de 30 kW, il faut monter un gicleur de 0.65 USg/ h alimenté sous une pression de pulvérisation de 12,8 bar. On aurait également pu choisir un gicleur de 0,75 USg/h qui aurait nécessité une pression de pulvérisation de : Ppe = (débit souhaité / débit gicleur)² . 7 bar Ppe = (0,88 / 0,75 )² * 7 = 9,6 bar

Détermination du gicleur et de la pression de pompe Exercice: déterminer le gicleur et la pression de pulvérisation du brûleur équipant une chaudière de puissance utile 70 kW. h chaudière : 0,9 , PCI : 11,9 kWh/kg , densité : 0,84 Puissance brûleur : 70 kW / 0,9 = 77,77 kW Débit massique : 77,77 kW / 11,9 kWh/kg = 6,53 kg/h Débit volumique : 6,53 kg/h / 0,84 kg/L = 7,78 L/h Débit USg/h : 7,78 L/h / 3,785 L/USg = 2,05 USg/h Choix du gicleur : 1,75 USg/h Pression de pulvérisation : (2,05 USg/h / 1,75 USg/h)² * 7 bar = 9,7 bar

Détermination du gicleur et de la pression de pompe METHODE RAPIDE DE DETERMINATION D’UN GICLEUR Faute de précision, on adopte les valeurs suivantes : rendement estimé chaudière : 0,9 , PCI : 11,9 kWh/kg , densité : 0,84, 1 USg = 3,785 L Le produit de ces valeurs est sensiblement égal à 34. Le débit en USg/h nécessaire au brûleur est donc égal à : P chaudière / 34 1 prendre la puissance chaudière, (puissance nominale) 2 diviser par 34, (ceci donne le débit nécessaire en USg/h) - déterminer le gicleur, (prendre un gicleur inférieur à P/34) 3 diviser par le débit d’étalonnage du gicleur choisi, 4 mettre le résultat obtenu au carré, 5 multiplier par 7 pour obtenir la pression de pulvérisation nécessaire en bars.

Détermination du gicleur et de la pression de pompe 1 prendre la puissance chaudière, 70 kW 2 diviser par 34, 70 / 34 = 2,05 USg/h - déterminer le gicleur, 1,75 USg/h 3 diviser par le débit d’étalonnage du gicleur choisi, 2,05 / 1.75 = 1,176 4 mettre le résultat obtenu au carré, 1,176 ² = 1,384 5 multiplier par 7 pour obtenir la pression de pulvérisation nécessaire en bars. 1,384 * 7 = 9,7 bar

Détermination de l’angle et du cône du gicleur On choisit l’angle de pulvérisation et le spectre en fonction de la forme de flamme recherchée. L’objectif est d’adapter la forme de la flamme à la forme du foyer de la chaudière. La flamme doit remplir le plus possible le foyer sans lécher les parois latérales ou le fond afin d’éviter que des imbrûlés s’y déposent sous forme de suies qui gêneraient à terme les échanges de chaleur.

+ + Détermination de l’angle et du cône du gicleur Pour obtenir une flamme longue, il faut réunir trois conditions : + + Angle étroit Cône plein Beaucoup d’air secondaire peu d’air primaire

+ + Détermination de l’angle et du cône du gicleur Pour obtenir une flamme courte, il faut réunir trois conditions : + + Angle large Cône semi plein Peu d’air secondaire beaucoup d’air primaire

+ + Détermination de l’angle et du cône du gicleur Pour obtenir une flamme très courte, il faut réunir trois conditions : + + Angle très large Cône creux Peu d’air secondaire beaucoup d’air primaire

Maintenance des gicleurs Un gicleur peut, en théorie, être utilisé tant qu’on peut maintenir un taux de CO2 raisonnable et un indice Bacharach acceptable. Un gicleur s’use. A titre d’exemple, un brûleur consommant annuellement 5 000 litres de fioul et doté d’un gicleur débitant 2 litres/h fonctionne 2 500 heures par an. Si on supposait que le fioul sorte comme un long jet continu, sa vitesse serait de 72 km/h et sa longueur d’environ 180 000 km soit 4,5 fois le tour de la terre ! L’usure du gicleur dépend essentiellement du volume de fioul qu’il aura à pulvériser ainsi que de la propreté du produit.

Maintenance des gicleurs Hormis le nettoyage du filtre, les gicleurs doivent toujours être remplacés et jamais démontés pour être nettoyés. Les dépôts fixés autour de l’orifice après une période de fonctionnement ne peuvent être enlevés sans grattage qui provoquerait inévitablement la détérioration du gicleur. En pratique le gicleur est remplacé chaque année au cours de l’entretien. - Gain de temps d’intervention. - Fiabilité de fonctionnement du brûleur améliorée. - Coût du gicleur souvent inclus dans la prestation.

Conseils Pour qu’un gicleur conserve toutes ses qualités de fabrication, il faut le stocker , le transporter et le manipuler avec soin. Toujours stocker le gicleur dans son étui de protection . Attendre le dernier moment pour sortir le gicleur de son étui et le monter sur le brûleur.

Conseils Transporter les gicleurs dans des valises de protection prévues à cet effet. Ne pas laisser les gicleurs sans protection dans les poches ou la caisse à outils. Ne pas monter un gicleur très froid sur le brûleur. Ne pas toucher le bout du gicleur avec les mains trop sales. Ne pas serrer trop fort le gicleur sur le porte-gicleur. Ne pas le faire tomber. Ne pas le démonter au-delà du filtre. Ne rien introduire dans l’orifice de pulvérisation.