LE GICLEUR FIOUL

1. LE GICLEUR FIOUL J-M R. D-BTP 2006

2. Rôle du gicleur Description et fonctionnement du gicleur Détermination du gicleur et de la pression de pompe Détermination de l’angle et du cône du gicleur Maintenance des gicleurs Conseils

3. 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

4. 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.

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

6. Description et fonctionnement du gicleur Composition d’un gicleur

7. Description et fonctionnement du gicleur 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.

8. Description et fonctionnement du gicleur 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.

9. Description et fonctionnement du gicleur 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.

10. Description et fonctionnement du gicleur 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

11. Description et fonctionnement du gicleur 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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

15. 0.60 USg/h Monarch 60° R Description et fonctionnement du gicleur Les indications inscrites sur le gicleur : - la marque, - le débit, - l’angle de pulvérisation, - le spectre de la pulvérisation.

16. 0.60 USg/h Monarch 60° R Description et fonctionnement du gicleur La marque D’autres marques sont disponibles : - Danfoss - Steinen - Hago - Fluidics - Delavan - ……

17. 0.60 USg/h Monarch 60° R Description et fonctionnement du gicleur 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)

18. 0.60 USg/h Monarch 60° R Description et fonctionnement du gicleur 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.

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

20. 0.60 USg/h Monarch 60° R Description et fonctionnement du gicleur 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…).

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

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

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

24. Description et fonctionnement du gicleur Correspondance des gicleurs selon la marque Type de cône marques

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

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

27. EN 70°IV kg/h 3.31 Danfoss Description et fonctionnement du gicleur 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)

28. EN 70°IV kg/h 3.31 Danfoss Description et fonctionnement du gicleur 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.

29. EN 70°IV kg/h 3.31 Danfoss Description et fonctionnement du gicleur 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.

30. 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.

31. 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.

32. Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les tableaux inclus dans les notices techniques

33. Détermination du gicleur et de la pression de pompe Exemple Puissance utile chaudière: 35 kW Avec réchauffeur. On choisira donc un gicleur de 0.85 USg/h et une pression de 12 bar

34. Détermination du gicleur et de la pression de pompe Les tableaux inclus dans les notices techniques Avantages : - facilité d’emploi - adapté au brûleur Inconvénients : - manque de précision - nécessité d’avoir la notice

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

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

37. 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

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

39. 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

40. Détermination du gicleur et de la pression de pompe Le calcul Plusieurs cas peuvent se présenter selon la technologie du brûleur : - brûleur 1 allure Le brûleur a 1 gicleur fonctionnant avec 1 pression de pulvérisation - brûleur 2 allures Le brûleur a 2 gicleurs avec 1 pression de pulvérisation ou 1 gicleur et 2 pressions de pulvérisation - brûleur 3 allures Le brûleur a 2 gicleurs et 2 pressions de pulvérisation

41. 100 % 0 % 1 aquastat 0 Détermination du gicleur et de la pression de pompe Le calcul fonctionnement tout ou rien

42. 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

43. 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.

44. Détermination du gicleur et de la pression de pompe 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

45. 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

46. 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. hchaudière : 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

47. 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) 2diviser 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, 4mettre le résultat obtenu au carré, 5 multiplier par 7 pour obtenir la pressionde pulvérisation nécessaire en bars.

48. Détermination du gicleur et de la pression de pompe 1 prendre la puissance chaudière, 70 kW 2diviser 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 4mettre le résultat obtenu au carré, 1,176 ² = 1,384 5 multiplier par 7 pour obtenir la pressionde pulvérisation nécessaire en bars. 1,384 * 7 = 9,7 bar

49. 100 % 30 % 0 % 1 aquastat 0 Détermination du gicleur et de la pression de pompe Le calcul fonctionnement tout ou rien avec allure de démarrage

50. Détermination des gicleurs et de la pression de pompe Calcul pour 2 gicleurs , 1 pression Donnée de départ : la puissance utile de la chaudière Exemple : 300 kW Estimation d’un rendement de la chaudière Exemple : 0,9 30 % % de puissance allure 1 souhaité On commence par chercher le gicleur unique « fictif » qui serait nécessaire pour fournir le débit fioul en grande allure.