Application de la chimiluminescence de flamme et du courant d’ionisation à la surveillance de l’état de combustion pour une chaudière à gaz domestique

par Yi Ding

Thèse de doctorat en Energétique

Sous la direction de Thierry Schuller et de Nasser Darabiha.

Soutenue le 19-06-2018

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec CentraleSupélec (2015-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Giovangigli.

Le jury était composé de Daniel Durox.

Les rapporteurs étaient Fabien Halter, David Honoré.

mots clés

• Chaudière domestique
• Surveillance de flamme
• Chimiluminescence
• Courant d'ionisation
• Richesse
• Chimiluminescence
• Chauffage au gaz
• Ionisation

Résumé

Les variations de la composition des gaz naturels nécessitent un system de réglage automatique de la richesse de flamme pour des chaudières domestiques à gaz. Dans ce travail,deux solutions potentielles sont étudiées, à savoir la chimiluminescence de flamme et le courant d’ionisation. Des indicateurs de richesse sont déduits des signaux de chimiluminescence obtenus expérimentalement. L’impact de l’échange de chaleur entre la flamme et le brûleur sur des signaux de chimiluminescence est ensuite étudié. Une analyse est également faite des principaux facteurs pouvant perturber la caractérisation du signal de chimiluminescence. Le courant d’ionisation est ensuite étudié sur une flamme conique pour comprendre l’évolution de son intensité avec la position de sonde et avec les conditions de flamme. Il est montré ensuite que ces évolutions sont corrélées avec le changement de la distance entre la flamme et le brûleur. Enfin, une boucle de contrôle est développée pour démontrer la faisabilité d’un réglage automatique de richesse en exploitant le signal de chimiluminescence.

mots clés

• Domestic boiler
• Flame monitoring
• Chemiluminescence
• Ionization current
• Equivalence ratio

Titre traduit

Use of flame chemiluminescence and ionization current for the combustion status monitoring of a domestic gas boiler

Résumé

The variations of natural gas composition call for an automatic equivalence ratio regulation system for domestic gas boilers. Two potential techniques for this purpose are investigated, i.e. the flame chemiluminescence and ionization current. Equivalence ratio indicators are inferred from the chemiluminescence signal based on the experiments. The investigation proceeds by examining effects of the flameburner heat exchange on the chemiluminescence signal. The interference of several disturbing factors for the chemiluminescence signal characterization is also analyzed. The flame ionization current is investigated on a conical flame to understand the evolution of its intensity with the probe position and flame conditions. These changes are then attributed to modifications of the distance between the flame base and the burner rim. Finally a control loop is developed to demonstrate the feasibility of equivalence ratio self-regulation with the chemiluminescence signal.