Brevet FR2288946A1 — publié le 19760521

La présente invention se rapporte à un échangeur thermique pour cheminée d'habitation. Ce dispositif d'échange thermique est destiné essentiellement à extraire les calories dans une cheminée d1habitation,dans le but d'augmenter son rendement thermique. En effet, les cheminées à feu de bois traditionnelles ne possèdent qu'un rendement thermique assez faible car une grande partie des calories dégagées par la combustion sont évacuées hors de la pièce avec les fumées. Seul le rayonnement assure un certain chauffage de l'air dans la pièce. On a déjà pensé à améliorer le rendement thermique d'une cheminée à feu de bois en créant une circulation d'air qui permet de récupérer les calories habituellement perdues et de les répartir dans la pièce par convection naturelle. Dans une réalisation connue, l'air frais prélevé à l'extérieur est séparé en deux flux, dont l'un se dirige vers la grille située sous le feu et dont l'autre s'élève, en s'échauffant, dans un passage ménagé entre la plaque de fond de la cheminée et le mur. Ce flux d'air réchauffé circule ensuite entre les parois d'un double avaloir en tôle, guidé par un ensemble de chicanes, et il s'échappe dans la pièce par des ouvertures de sortie latérales réglables.Les parois de l'avaloir son bien entendu portées à haute température par le passage des gaz de combustion et assurent un chauffage supplémentaire de l'air avant sa sortie. Ce dispositif comporte un circuit d'air qui présente certaines insuffisances - L'air à chauffer est toujours de l'air frais, ce qui assure un chauffage sain mais demande une élévation de température im portante. - La chaleur de la plaque foyer n'est pas mise à profit pour contribuer au chauffage de cet air. - le coeur de la cheminée ne constitue pas,en général, un accumulateur de chialeur suffisant. - Malgré la présence de chicanes, la surface d'échange entre les gaz de combustion et l'air, au niveau de l'avaloir,reste limitée. -Enfin, les dispositifs actuels n'utilisent que la convection naturelle, ce qui est économique mais réduit leur efficacité et interdit certaines configurations du circuit d'air à chauffer. La présente invention vise à remédier à l'ensemble de ces inconvénients afin d'améliorer le rendement de ces dispositifs d'échange thermique pour cheminée d'habitation. Un but annexe de l'invention est de permettre une utilisation plus souple de ces dispositifs et en particulier de compléter leur fonctionnement en chauffage par une possibilité de fonctionnement en ventilatéur aérateur. A cet effet,dans le dispositif selon l'invention,le circuit de l'air à chauffer comprend,en combinaison, des tubulures de préchauffage,situées sous la plaque foyer, à l'entrée desquelles est prévue une turbine apte pulser l'air ambiant prélevé, un faisceau de tubes verticaux noyés dans le coeur de la cheminée constituant accumulateur de chaleur et un faisceau de tubulures horizontales qui relient les parties arrière et avant de l'avaloir et dont les parois forment surface d'échange avec les gaz de combustion. Cet échangeur thermique perfectionné ne présente plus aucun des inconvénients des dispositifs actuels puisque - L'air prélevé est l'air ambiant. - La chaleur de la plaque foyer est recueillie par les tubulures de préchauffage. - le coeur est réalisé de manière à constituer un accumulateur de chaleur. -Au niveau de l'avaloir,la surface d'échange est considérablement augmentée. - La turbine peut assurer une convection forcée si on le désire. suivant une forme préférée d'exécution, les tubulures de préchauffage présentent chacune une partie de hauteur plus importante venant se loger exactement dans ltouverture de la plaque foyer pour former la grille. L'échangeur thermique selon l'invention est avantageusement réalisé en éléments préfabriqués emboStables,l'assemblage étant réalisé avec interposition de joints d'étanchéité et d'isolation thermique. Pour un fonctionnement précis et souple,la turbine est asservie par un thermostat et est entraînée par un moteur électrique à vitesse variable. C'est cette turbine qui permet le fonctionnement en ventilateur aérateur,l'air pulsé étant prélevé soit dans la pièce au ras du sol,soit à l'extérieur si l'on dispose d'une source d'air frais fournissant normalement l'air de combustion.Dans ce dernier cas on prévoit un couvercle amovible apte à obturer le des sus de la grille ainsi que l'entrée d'air permettant de prélever l'air de la pièce De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une cheminée d'habitation équipée de l'échangeur thermique selon l'invention; Fig.1 est une vue d'ensemble de cette cheminée, en coupe transversale par un plan vertical;; Fig.2 à 4 sont des vues, respectivement de face, de côté et de dessus, montrant l'ensemble des tubulures de pré-chauffage; Fig.5 est une vue en coupe par un plan horizontal à travers le coeur de la cheminée; Fig.6,7 et 8 sont des vues, respectivement de face,de coté et de dessus,montrant l'avaloir avec ses tubulures; Fig.9 à Il sont des vues partielles en coupe qui montrent diverses positions possibles des volets de déflection des fumées. L'invention s'applique à une cheminée d'habitation adossée à un mur 1,dont les parties essentielles sont, de manière traditionnelle :la plaque foyer 2 avec sa grille 2, la plaque de fond ou coeur 4 et la hotte 5.Cette cheminée comprend encore d'autres élments connus en soi et ne faisant pas l'objet de l'invention, notamment une arrivée d'air à la base 6, un cendrier amovible 7 réalisé sous la forme d'un tiroir, un bandeau 8 surmonté d'une pôu- tre 9, un adaptateur de conduit de fumées 10. Sous la plaque foyer 2 est suspendu un ensemble métallique représenté isolé aux fig.2 à 4, réalisé en acier mécano-soudé et comprenant une série de tubulures horizontales parallèles 11 séparées par des intervalles 12. Chaque tubulure 11 possède une section rectangulaire et présente une partie 13 de hauteur nettement plus importante. La partie inférieure de la plaque foyer 2 est réalisée en béton refractaire armé et comporte, à des emplacements Judicieux, des boulons à oeil, enfilés sur des tringles longitudinales d'armature, qui dépassent du béton pour constituer les éléments de fixation de l'ensemble formé des tubulures 11. L'ouverture rectangulaire de la plaque foyer 2 est de dimensions telle que, après assemblage, les parties li des tubulures Il viennent s'y loger exactement pour constituer la grille 3. Sous les tubulures 11 est monté pivotant le support 14 du cendrier 7. A leur extrémité arrière, les tubulures 11 sont rac ordrées à un caisson transversal 15. Le coeur 4 possède une structure bien visible aux fig.1 et 5. Il comprend un faisceau de tubes 16 en acier laminé,soudé,de section rectangulaire, d'axe vertical, noyés dans une masse de béton réfractaire 17 armé dans le sens longitudinal et sur la partie arrière par des fers ronds adéquats. La face avant du coeur 4 est garnie d'un matériau variable selon les désirs de l'acheteur. A la partie supérieure de la chemine est mis en place un ensemble métallique représenté isolé aux fig.6 à 8, réalisé en acier mécano-soudé, composé d'un avaloir 18 et de tubulures 19. L'avaloir 18 possède une double paroi permettant de former un caisson arrière 20, un caisson avant 21 et deux caissons latéraux 22. Les caissons arrière et avant,respectivement 20 et 21, sont reliés par les tubulures 19 formant un faisceau horizontal. Le caisson avant 21 communique avec les caissons latéraux 22 qui comportent chacun un conduit d'évacuation 23 aboutissant à un orifice de sortie latéral, non représenté. Entre l'avaloir 18 et l'adaptateur 10 est intercalé un élément intermédiaire 24, à parois verticales, à l'intérieur duquel sont montés pivotants deux volets de déflection des fumées 25 et 26, articulés autour de deux axes parallèles, de direction transversale, situés à faible distance l'un de l'autre à peu près au milieu de l'élément intermédiaire 24. Sur chacun des volets 25 et 26 est articulée une manette de réglage latérale 27 pnuvant être immobilisée dans diverses positions au moyen de crans de positionnement 28 ( voir fig.1). Les trois ensembles précédemment décrits sont préfabriqués en usine et peuvent être montés rapidement, sans qu'il soit nécessaire de recourir à une main-d'oeuvre particulièrement qualifiée.Les tubes verticautS6 du coeur 4 dépassent en haut et en bas de celui-ci et viennent s'ajuster dans le caisson arrière 20 de l'avaloir 18 et dans le caisson transversal 15 raccordé luimême aux tubulures 11. L'étanchéité de l'assemblage est assurée par des joints boudin en amiante et un jointoyage léger au coulis, réalisé en 29 et 30. L'avaloir 18 reçoit encore une couche extérieure d'isolation thermique 31 qui se prolonge, en 32 et 33,derrière le coeur 4 et le caisson transversal 12. A l'entrée des tubulures 11, sous la plaque foyer 2, est en fin logée une turbine tangentielle 34 entraînée par un moteur électrique non représenté. Cette turbine se trouve au départ d'un circuit d'air qui, prélevé sous la plaque foyer 2, passe successivement par les tubulures Il dont une partie forme la grille 3,par les tubes 16 noyés dans le coeur 10 et par le faisceau des tubulures 19 de l'avaloir 18,pour ressortir perles conduits d'évacuation 23. Il y a lieu de distinguer deux modes de fonctionnement en chauffage - Par convection naturelle, l'air décrivant le circuit qui vient d'être indiqué sans intervention de la turbine 34. - Par convection forcée, le même circuit étant parcouru par de 1'air pulsé au moyen de la turbine 34. Cette turbine est asservie par un thermostat qui permet de maintenir automatiquement une température idéale dans le local. La régulation se fait par tout ou rien, en faisant passer le dispositif du fonctionnement avec convection naturelle au fonctionnement avec convection forcée, ou vice-versa, lorsque c'est nécessaire. En outre, le moteur de la turbine 34 est à vitesse variable, soit par commutateur à poussoirs et résistance chutrice, soit par variateur électronique,selon le type de moteur utilisé. L'air pulsé ou non qui décrit le circuit considéré extrait des calories sur l'ensemble de son parcours. En passant sous la plaque foyer 2 par les tubulures 11, il subit un préchauffage d'autant plus efficace qu'une partie 13 de ces tubulures constitue la grille 3. Le coeur 10 constitue un bloc accumulateur de chaleur important traversé par les tubes 16, qui permet de produire de la chaleur même longtemps après l'extinction du feu. Les parois des tubulures 19 de l'avaloir 18 présentent enfin une surface d'échange importante avec les gaz de combustion. L'air ainsi chauffé s'échappe par les orifices de sortie latéraux qui débouchent dans le local à chauffer et sont garnis d'un décor approprié. Dans l'exemple considéré,ces orifices sont situés sur les côtés de la hotte 2 mais ils peuvent également se trouver sur l'avant de la hotte, à des hauteurs adéquates. D'autres emplacements peuvent être envisagés,notamment - Sous la poutre 9 en bois, pierre ou béton, de côté ou de face. - Sur les panneaux latéraux de la cheminée,à différentes hauteurs et même, éventuellement, à un niveau inférieur à celui de la prise d'air. Dans ces deux cas, seule la convection forcée permet le fonctionnement. Un second circuit est celui de l'air de combustion, qui est prélevé sur l'ensemble général de l'habitation si celle-ci compor te une ventilation naturelle ou mécanique, ou, de préférence, amené par un conduit tel que celui visible en 6 à la fig.1 abou tissant sous la plaque foyer 2. On peut encore réaliser un com promis des deux possibilites précédentes, ce qui est le cas dans l'exemple de la fig.1. L'air de combustion ainsi prélevé passe entre les tubulures de pré-chauffage 11, après avoir léché le cendrier 7,puis il active le foyer pour se transformer en fumées chaudes. C'est la chaleur de ces fumées qui est récupérée dans le faisceau des tubulures 19 et entre les parois internes de l'avaloir 18. Au sommet de l'avaloir,les fumées sont freinées et/ou dé flectées par les deux volets 25 et 26 lorsque ces derniers occu pent une position autre que celle de la fig.1. Le rôle de ces volets peut être - D'obturer complètement le conduit de fumée,dans la position de la fig.9. - De régler plus ou moins le tirage. - D'agir en anti-refouleur avant, arrière ou central,selon les besoins ( voir respectivement les fig.10,11,12). Le dispositif selon l'invention peut également fonctionner en ventilateur aérateur, grâce à la turbine 34. Il permet en effet de pulser de l'air frais pris au ras du sol et de l'éva cuer à mi-hauteur, créant ainsi un brassage tendant à homogénéi ser la température ambiante de l'air. Dans ce cas, les volets 25 et 26 restent en position fermée ( fig.9) et le bouton du thermostat est réglé à une température supérieure afin de maintenir la turbine 34 en marche permanente; l'allure de cette turbine peut être sélectionne selon les dé sirs de l'utilisateur. Toutefois, si la source d'air de combustion est très fraîche ( cave, vide sanitaire, etc..) et débouche sous la plaque foyer 2, comme c'est le cas dans la réalisation de la fig.1, on peut faciliter l'abaissement de la température ambiante en obturant le dessus de la grille 3 et la partie avant située sous le foyer, par un couvercle amovible. Bien entendu il devient alors néces saire d'ouvrir les volets 25 et 26 si l'on veut éviter toute surpression dans la pièce. Un autre mode de fonctionnement peut encore être obtenu en incorporant dans le circuit d'air ambiant une résistance électrique additionnelle. Cette résistance est par exemple logée à l'intérieur du caisson transversal 12. L'échangeur thermique selon l'invention présente de nombreux avantages concernant son fonctionnement en chauffage - Il permet une économie de combustible du chauffage général et n' entraîne qu'une faible consommation électrique. - Il est d'une grande efficacité :rendement thermique élevé, action calorifique immédiate dès l'allumage de la cheminée,accumulation de chaleur importante dans le coeur de la cheminée. - Il possède une grande souplesse de fonctionnement, grâce à sa turbine silencieuse permettant le choix entre la convection naturelle ou forcée, à son thermostat régulateur de température ambiante, et à la possibilité d'adåoindre une résistance électrique. De plus, ce dispositif est utilisable en été comme aérateur climatiseur. Le mode de construction adopté est également très avantageux du point de vue du fonctionnement général de la cheminée.En particulier le type de cendrier choisi permet un décendrage facile, rapide et propre, tandis que les deux volets articulés servent à la fois d'anti-refouleur et de moyens de réglage des fumées et du tirage. Le procédé de construction de l'échangeur thermique selon l'invention à partir d'éléments préfabriqués juxtaposables est lui aussi très intéressant car il permet une mise en place sim plue, des éléments standards pouvant être prévus pour tous types de cheminées et de foyers. Ce procédé de construction permet l'utilisation de n'importe quel matériau réfractaire pour le coeur. Lorsque le dispositif, selon l'invention, est mis en place, il forme un conduit de chauffage parfaitement étanche et reste discret, la ligne générale et l'esthétique de la cheminée étant conservés. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cet échangeur thermique pour cheminée d'habitation qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple non limitatif; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. Ainsi le dispositif décrit nécessite que la plaque foyer 2 se trouve en surélévation par rapport au sol,cependant l'invention s'applique sans difficulté au cas d'une plaque foyer posée à même le sol, le cendrier 7 et son support 14 étant sup prim-s. L'entrée de l'air à chauffer s'effectue alors à la base des panneaux latéraux ou dans ces panneaux latéraux, tandis que la turbine est disposée devant l'orifice d'entrée de l'air ou est incorporée dans un des panneaux latéraux,le restant du circuit étant inchangé. -REVENDICBTIONS 1.- Echangeur thermique pour cheminée d'habitation, destiné à extraire les calories dans une cheminée par création d'une circulation d'air prélevé à la base de la cheminée, canalisé dans son coeur puis dans son avaloir et s'échappant par des ouvertures de sortie,caractérisé en ce que ce circuit d'air comprend,en combinaison, des tubulures horizontales de préchauffage,situées sous la plaque foyer et formant sa grille, à l'entrée desquelles est prévue une turbine apte à pulser l'air ambiant prélevé,un faisceau de tubes verticaux noyés dans le coeur de la cheminée constituant accumulateur de chaleur et un faisceau de tubulures horizontales qui relient les parties arrière et avant de l'avant loir à double paroi, dont la paroi interne forme surface d'échange avec les gaz de combustion. 2.- Echangeur thermique selon la revendication 1,caractérisé en ce que les tubulures de préchauffage présentent chacune une partie de hauteur plus importante venant se loger exactement dans l'ouverture de la plaque foyer. 3.- Echangeur thermique selon la revendication 2,caractérisé en ce que les tubulures de préchauffage portent, à leur partie inférieure, l'axe de pivotement du support du cendrier. 4.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 2 et 3,caractérisé en ce que les extrémités arrière des tubulures de préchauffage sont raccordées à un caisson transversal dans lequel s'ajuste la base des tubes verticaux noyés dans le coeur de la cheminée. 5.-Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que la turbine est entraînée par un moteur électrique à vitesse variable, asservie par un thermostat. 6.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caracto'risé en ce que,pour permettre le fonctionnement en ventilateur aérateur,l'air pulsé au moyen de la turbine étant prélevé à l'extérieur, il est prévu un couvercle amovible apte à obturer le dessus de la grille ainsi que l'entrée d'air permettant de prélever l'air de la pièce.