Brûleur à alcool

La chauffe au gaz, en général butane, propane ou un mélange des deux, impose le transvasement du combustible sous forme liquide et sous pression de la bouteille du commerce vers le réservoir du bateau. Manipulation toujours un peu délicate.
Si avec le butane la gazéification s’effectue, comme dans la majorité des cas, dans le réservoir elle peut entraîner des chutes de température importantes et donc des baisses de pression et le givrage du réservoir. (Le sous-tirage en phase liquide du butane est une solution).
Le brûleur à alcool pourrait résoudre ces problèmes… Mais ceux qui l’ont essayé ont souvent déchanté… Le but de cette étude était donc de mettre au point un brûleur à alcool offrant :
- Une totale sécurité en cas d’extinction.
- La possibilité d’être piloté par un régulateur de pression.

• L’alcool à brûler :
Largement disponible, peu cher, c’est un mélange de :
- 86 à 90% d’éthanol (formule brute C2H6O) provenant de la distillation de vin, cidre, résidus fermentés de sucrerie, etc…)
- 6 à 10% d’eau
- Environ 4% de méthanol (formule brute CH4O) qui rend le mélange désagréable et dangereux à boire… A noter que la présence de méthanol rend l’alcool du commerce corrosif pour les alliages d’aluminium et certains joints.

La masse volumique moyenne de l’alcool est de 0,83kg/dm3. Le pouvoir calorifique inférieur (PCi), c’est-à-dire avec sortie de fumée gazeuse (sans condensation), est d’environ 4 075kcal/dm3, soit 4 909kcal/kg. A comparer par exemple aux PCi du butane qui sont respectivement de 6000kcal/dm3 et 10 000kcal/kg. Ce PCi plus faible n’est pas gênant, l’alcool liquide étant très facile à stocker dans un réservoir non pressurisé : 300cm3 d’alcool a environ le même pouvoir calorifique que 100gr de butane.

La combustion des combustibles liquides n’a lieu que lorsqu’ils sont en phase gazeuse et peuvent se mélanger à l’air pour donner la réaction « flamme ». Les mèches d’une lampe à pétrole ou à alcool, d’une bougie sont en réalité des « évaporateurs ».

La température de vaporisation de l’alcool est d’environ 80°C. Cette vaporisation nécessite un apport de chaleur (enthalpie de vaporisation) de 275kcal/kg, nettement plus élevée que pour le butane (60kcal/kg). Mais cette chaleur n’est pas perdue puisqu’elle se retrouve dans la flamme du brûleur.

• Principe :
Sur la base de ces informations, le schéma général du brûleur prend forme. Il faudra :
- Un évaporateur
- La chaleur d’évaporation sera fournie, en fonctionnement, directement par le brûleur.
- Au démarrage, il faudra donc prévoir un système transitoire de mise en température de l’évaporateur.

Pour respecter l’objectif d’une sécurité totale en cas d’extinction, il faudra :
- Un réservoir non-pressurisé. L’alimentation de l’évaporateur se fera donc uniquement par gravité
- Un système coupant automatiquement l’arrivée d’alcool en cas d’extinction du brûleur, pour éviter tout risque d’alcool liquide se répandant dans la coque.

Cette dernière fonction « sécurité » peut être réalisée très simplement, sans aucun mécanisme de réglage, en reprenant le système existant dans les brûleurs à alcool pour fers à repasser de la fin du 19ème, fer dont je possède un exemplaire… Le bon vieux truc des vases communiquant et du siphon du plombier !!

Le schéma complet est décrit dans la vue ci-dessous :

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- L’alcool liquide descend par gravité vers l’évaporateur « E » à travers un régulateur de débit asservi à la pression vapeur de la chaudière.
- L’évaporateur « E » est une chambre annulaire placée autour du corps du brûleur « B ».
- Le gaz est alors envoyé dans le conduit « S » formant siphon.
- Puis vers l’injecteur « I » qui induit l’air primaire dans le mélangeur « M » et le brûleur.
- En position « veilleuse », la flamme lèche le corps du brûleur. Plein gaz, la flamme se développe sur 10 ou 15cm après avoir aspiré l’air secondaire, mais doit rester accrochée à la sortie du mélangeur pour pouvoir suffisamment chauffer le corps du brûleur et assurer la vaporisation. (La théorie et réalisation de ce type de brûleur dit « Bobino » sont décrits dans un autre post de cette section).
- La température du corps du brûleur sera entre 150 & 200°. Pour tempérer et réguler cette vaporisation flash, l’alcool liquide est injecté via un petit tampon fibreux (la mèche) à la base de l’évaporateur et le gaz est extrait en partie haute. L’injection se fait donc par capillarité dans les fibres avec un effet « amortisseur ».
- Pour éviter une vaporisation prématurée dans le tuyau amenant l’alcool à l’évaporateur, il est isolé thermiquement via un joint en silicone.

Trois hauteurs critiques régissent le fonctionnement :
- Hu (hauteur utile) : C’est la distance verticale entre le réservoir d’alcool liquide et la zone de vaporisation. Le réservoir n’étant pas pressurisé, elle définit la pression d’écoulement du liquide. Cette pression régit le débit à l’injecteur, mais doit aussi être en adéquation avec la capacité d’évaporation.
- Ht (hauteur tank) : C’est la différence entre les niveaux « Min » & « Max » du liquide dans le tank. Elle doit être faible : Si à Hmini on développe la puissance désirée, il ne faut pas dépasser la possibilité de vaporisation à Hmaxi.
- Hs (hauteur sécurité) : C’est la marge de sécurité entre le point haut du conduit « S » et le niveau max dans le tank. S’ il n’y a plus vaporisation (flamme éteinte), l’alcool liquide va remplir le vaporisateur et la partie droite du conduit « S », mais ne pourra en aucun cas franchir le point haut et s’écouler vers le gicleur (vases communicants).

• Réalisation:
- Le design final résulte de compromis entre les différentes hauteurs critiques pour minimiser l’encombrement. Par exemple, avec une hauteur totale de 10cm, on peut obtenir une hauteur utile de 6,5 à 8,5cm.
- Un réservoir de 2cm de hauteur et 1,5dm2 de surface donne une contenance de 300cm3 d’alcool, l’équivalent de plus de 100gr de butane.
- Le régulateur de débit d’alcool liquide doit être aussi « doux » que possible, membrane souple et ressorts correctement tarés pour induire le minimum de chute de pression.
- Le Øint de la tuyauterie d’arrivée de liquide ne doit pas être inférieure à 2mm.
- L’écoulement du gaz dans le conduit « S » doit présenter le moins de résistance possible. Le Øint de « S » ne doit pas être inférieur à 4mm.
- La longueur du mélangeur « M » n’est pas critique. Son diamètre l’est. Faire des essais pour déterminer le bon compromis.
- La longueur du corps du brûleur n’est pas critique.
- L’espace intérieur du vaporisateur annulaire « E » n’est pas critique, mais il influera sur le temps de réponse lors du passage en veilleuse : Plus il est important et plus il y aura d’alcool à finir de vaporiser lors du passage en veilleuse.
- l’injecteur est une partie importante du dispositif. Idéalement, en préparer plusieurs avec des orifices de Ø1,6 à 2mm (si possible avec un profil intérieur conique) et faire des essais.

La vue ci-dessous résume les cotes d’un ensemble donnant de bons résultats.

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Quelques images d’un ensemble en cours de réalisation :

- Préparation de l’évaporateur :

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- Un premier prototype :

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- L’ensemble calorifugé. A noter que l’entrée du liquide a été décalée sur le côté avec une entrée tangentielle pour éviter de cramer le joint lors du pré-chauffage:

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- Une installation complète :

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• Tests :

- Préchauffage du brûleur. (On peut utiliser 1cm3 d’ allume-feu par exemple, disposé sous le brûleur par une « poêle » à long manche).

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- Fonctionnement du brûleur « Plein gaz » :

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- Fonctionnement en veilleuse. La veilleuse est très stable et quasiment impossible à souffler…

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- Test en situation réelle : Moteur de 5,6cm3 couplé à une hélice à pas variable.
- Les températures sont relevées avec des thermocouples.



Le passage du régime “veilleuse” à “plein gaz est quasi instantané. L’inverse est un peu plus lent, une dizaine de secondes.

• Résultats:
- Avec un gicleur de 2 mm
510 cm3/Heure d'alcool pour Hu = 20 cm => Température gaz à 110°C environ
360 cm3/Heure .................. Hu = 14 cm => Temp. ..................... ?
260 cm3/Heure .................. Hu = 8 cm => Temp. ..................... 120°C environ

- Avec un gicleur de 1,4 mm
300 cm3/Heure d'alcool pour Hu = 20 cm => Température gaz à 250°C environ
220 cm3/Heure .................. Hu = 14 cm => Temp........................ ?
140 cm3/Heure................... Hu = 8 cm => Temp...................... 150 °C environ

Ces valeurs montrent une remarquable linéarité de variation en fonction de Hu. Malgré tout, il faut tenir compte de l'imprécision de mes mesures : Temps à quelques secondes près , essai sur 20 cm3 environ, etc ….
De précédents essais ont montré que le régulateur ne "consommait" que 10 à 15 % de la force motrice Hu. Il est nécessaire d'en conserver le maximum pour que le gicleur puisse induire l'air de combustion.
Il est aussi important que la vaporisation ait lieu dans le corps du brûleur, après la bride d'entrée, sinon cela cause un pompage avec reflux et diminution du débit. D’où l’importance du joint « J », du tampon en laine de roche et de l’entrée tangentielle.

• Conclusions :

L’objectif initial est atteint : Un brûleur à alcool fiable, présentant une sécurité totale et asservi à la pression chaudière. Une vanne RC supplémentaire peut bien sûr être installée pour éventuellement couper l’alimentation à la demande.
Ce peut-être une excellente alternative à la chauffe au gaz : Facilité et sécurité du remplissage, fonctionnement même aux basses températures, etc…
La seule contrainte est l’encombrement vertical pour obtenir la hauteur Hu adéquate. Mais le positionnement horizontal du réservoir d’alcool est très souple et il peut être déplacé suivant l’agencement de la maquette.

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