Brevet FR2384209A1 — publié le 19781013

La présente invention concerne un dispositif générateur d'eau chaude adapté aux cheminées à feu ouvert. Les cheminées à feu ouvert connaissent un regain d'intéret auprès du public du fait du développement des résidences secondaires et du besoin croissant des gens pour les choses naturelles. I1 est reconnu que les cheminées classiques à feu ouvert ont un rendement faible, de 10 à 20 %, qui est dû, d'une part à ce qu'elles chauffent uniquement par rayonnement, et, d'autre part, à ce qu'une partie de l'air de la pièce est continuellement entratnée avec les fumées. Ces cheminées ne peuvent donc constituer, dans les maisons actuelles composées de plusieurs pièces, une source de chaleur permettant le chauffage du volume total habitable. Par ce fait même, les cheminées à feu ouvert ne peuvent représenter une économie d'énergie sensible. Elles ne sont donc, généralement, qu'un agrément capable de chauffer la pièce dans laquelle elles sont installées, soit 1/5 à 1/10 de la maison. Ceci reste vrai, malgré les quelques dispositifs vendus sur le marché servant uniquement à réchauffer l'air de la pièce, ou à alimenter celle-ci en air chaud.D'autres dispositifs à chauffage d'eau utilisablespour les radiateurs ont déjà été décrits, par exemple dans le brevet français nO 1.552.582 et dans sa première addition nO 2.120.539, ainsi que dans le brevet français nO 1.572.205, mais ne semblent pas avoir connu un développement, pour deux raisons 10 - les dispositifs proposés sont trop compliqués et inesthétiques, ce qui donne des produits trop chers, difficiles à mettre en oeuvre et inacceptables dans une cheminée qui est aussi essentiellement un élément de la décoration d'une pièce; 20 - le rendement des appareils proposés est faible, du fait de leur forme et de leur structure. Pour les plus élaborés, le prix de vente ne permet pas alors une rentabilisation de l'investissement. ta présente invention a pour but de proposer un dispositif générateur d'eau chaude adapté aux cheminées à feu ouvert, de structure simple et robuste, bon marché, permettant d'améliorer de façon très substantielle le rendement énergétique de la cheminée, présentant un circuit original de fluide caloporteur (en général l'eau) et efficace tout en conservant entièrement l'esthétique classique de la cheminée. Ce but est atteint par la présente invention qui concerne en effet un dispositif générateur d'eau chaude adapté à une cheminée à feu ouvert, caractérisé en ce qu'il comporte - une plaque présentant des aspérités à sa surface cOté flamme et comportant des cavités communiquant entre elles et situées dans ltépaisseur de la plaque et à l'intérieur des aspérités; - une grille supportant le combustible fixée dans la partie basse de la plaque et constituée de plusieurs griffes creuses, les creux des griffes étant reliés en dérivation aux cavités de la plaque; - - au moins une entrée dteau froide, et au moins une sortie d'eau chaude, l'eau circulant dans l'ensemble desdits creux ou cavités; - l'entrée et la sortie d'eau étant reliées directement ou en dérivation à un circuit générateur de chaleur. Selon un mode de réalisation, ladite plaque est constituée d'une double enveloppe délimitée par une première plaque en fonte, ou en acier côté flamme comportant lesdites aspérités, sur laquelle est fixée de façon étanche une plaque métallique. De façon générale, on fait arriver l'eau froide au bas de la plaque près de la grille, de manière à faire rentrer en contact l'eau froide en premier lieu avec la partie la plus chaude du dispositif et on fait sortir liteau chaude en haut de la plaque. C'est cette disposition particulière qui est envisagée dans ce qui suit. Selon un mode de réalisation préféré, on dispose l'arrivée d'eau froide en haut de la plaque et on dirige cette eau froide vers le bas de la plaque au moyen d'un canal intérieur a ladite plaque. Ce dispositif présente l'avantage de préchauffer l'eau froide avant d'arriver dans la partie la plus chaude du foyer. Le générateur selon l'invention se présente donc comme une combinaison de deux échangeurs de chaleur. Le premier échangeur de chaleur est constitué par la lame d'eau circulant de bas en haut par convection naturelle dans les creux ou cavités situés 9 ltintérieur de l'épaisseur de la plaque ou des aspérités, ces creux ou cavités étant tous en communication Les aspérités jouent le rôle d'ailettes et améliorent ainsi grandement les échanges thermiques et sont de préférence discontinues, de forme allongée, et dirigées pour la plupart dans le sens vertical afin d'améliorer la circulation et le Léchage des gaz chauds par turbulence. Ces aspérités peuvent bien entendu former un motif décoratif a la surface de la plaque. Le deuxième échangeur de chaleur relié en dérivation au premier est constitué par la grille composée de plusieurs griffes creuses a l'intérieur desquelles l'eau circule également par convection naturelle. Une des caractéristiques de structure de ce deuxième échangeur réside précisément en ce que les griffes ne sont pas alimentées directement par la totalité de l'eau froide entrant dans le dispositif, mais sont alimentées en dérivation seulement par une partie de l'eau traversant la cavité de la plaque. Ceci a pour avantage de ne pas refroidir la grille sur laquelle brûlent les bûches et de faciliter ainsi leur combustion. Une alimentation directe de la grille par la total de l'eau froide entrant dans le dispositif aurait pour effet d'abaisser la température de la zone de combustion, d'occasionner du goudronnage et de la condensation et, finalement, de réduire le rendement énergétique. Chaque grille est fixée de façon étanche à l'eau au bas de la plaque par des moyens convenables et au moyen d'un joint d'étanchéité. Ce joint d'étanchéité présente de préférence deux ouvertures situées l'une au-dessus de l'autre et réalise ainsi le branchement en dérivation de chaque griffe sur la lame d'eau située a l'intérieur de la plaque. La cavité ou creux situé l'intérieur des griffes présente de préférence une paroi supérieure inclinée, de telle sorte que la partie de ladite paroi située près de la plaque soit un niveau supérieur à celui de la partie de la paroi située d l'autre extrémité des griffes. Egalement, cette cavité peut présenter en outre une paroi inférieure inclinée, de façon inverse, c'est-a-dire que la partie de ladite paroi située près de la plaque est a un niveau inférieur å celui de la partie de la paroi située l'autre extrémité de la griffe. La circulation de l'eau par convection 9 l'intérieur des griffes est ainsi très améliorée. la grille est réalisée de manière que les griffes soient à une certaine distance de l'âtre de la cheminée sur lequel tombent les cendres, ce qui permet ainsi de mieux récupérer la chaleur des braises et d'alimenter facilement en air les bûches en combustion. Le dispositif selon l'invention peut avoir plusieurs dimensions selon la place disponible dans la cheminée. On prend comme cote de base ln, ou dimension nominale, la largeur 1 du front de l'appa n reil et les autres cotes seront dimensionnées connnodément en fonction de cette référence unitaire. En admettant que la puissance récupérée par l'appareil est P , pour une dimension 1 et un débit horaire de bois Du, on peut n calculer les différentes puissances de chaque partie du générateur en fraction de P u A noter que l'on ne prend en compte dans ce- calcul de P que la puissance récupérée par le générateur d'eau chaude. La u puissance dissipée par le feu ouvert sur la pièce par rayonnement ntest pas modifiée sensiblement par l'appareil disposé dans la cheminée. En effet, il est disposé sur le contrecoeur, donc derrière la flamme, et ne limite pas l'émission de celle-ci sur les côtés ouverts de la cheminée. Il ne peut modifier que la réémission du contrecoeur chauffé par la flaimne ou les gaz de combustion. La modification apportée par le dispositif récupérateur sur la chaleur diffusée par le feu dans la pièce olb se trouve la cheminée est donc pratiquement négligeable. La différence de température entre 1' entrée et la sortie de l'eau du dispositif, multipliée par la chaleur spécifique du fluide caloporteur (en pratique l'eau) et son débit, donnera la puissance P du dispositif. u Le nombre de griffes de la grille est fonction de ln. Pour I = 50 cm, on peut choisir 7 griffes. n ta surface externe totale projetée de la grille représente approximativement un rectangle de dimensions égales 9 ln x (0,4 1 à 0,9 I ). Le volume de la cavité a l'intérieur de chacune n n des griffes est de préférence aussi grand que possible, afin de présenter la plus grande surface d'échange. La surface projetée de la grille est aussi grande que possible tout en permettant une alimentation correcte en air et une bonne combustion. La surface projetée des griffes peut représenter jusqu' 0,6 fois la surface de la grille. Le plan médian des cavités est situé au-dessus de l'Stre, afin de faciliter la combustion du bois, grâce a l'alimentation en air qu'il permet. La distance h entre l'atre et la grille est comprise entre lu/10 et 1n/5. A ce niveau, le chauffage s'effectue par - rayonnement . de la flamme se développant autour des buches, des braises tombées sur l'âtre} de l'entre chaud, - contact avec les flammes se développant sous les bOches ou dans les braises, - échange avec l'air chauffé par les braises sur litre et alimentant au travers des grilles la combustion des bûches. La puissance totale récupérée dans ces griffes est fonction de leur dimension, et peut représenter entre 0,25 et 0,40 Pu. La dimension de la partie échangeur-foyer (premier échangeur) est égale (par définition) à 1 en ce qui concerne la largeur, et comprise entre 0,7 et 2,0 1 en ce qui concerne la hauteur. Les dimen n sions sont donc adaptées d celles : de la cheminée a feu ouvert, des bûches (longueur), des hauteurs de flamme. La part de puissance récupérée par l'échangeur-foyer est la plus importante; elle est comprise entre 0,60 P et 0,75 Pu. u Par rapport à une surface lisse, les aspérités permettent d'augmenter de 40 à 65.% la puissance captée, ce qui démontre l'importance du dimensionnement et de la forme des aspérités. En effet, les ailettes sont de préférence très nettement en surépaisseur sur la plaque de fond, et les plus larges (supérieures à 8 mm) sont creuses et permettent ainsi à l'eau de circuler à l'intérieur. I1 est à noter aussi que ces aspérités sont discontinues dans le sens de la hauteur, afin d'augmenter la turbulence des gaz chauds ascendants et leur mélange aux gaz refroidis par les parois. Selon une forme de réalisation préférée, la largeur des aspérités est comprise entre 4 et 40 mm, l'épaisseur entre 10 et 50 mm selon le dessin qu'elles représentent. D1une façon générale, leur forme laisse passer les gaz de bas en haut. L'entraxe de chaque couloir de circulation est de 31 mm. Il peut varier entre 15 et 50 mm. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de l'exemple suivant donné a titre illustratif nullement limitatif; référence sera faite au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue de face du dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une coupe suivant II-II de la figure 1; - la figure 3 est une section partielle suivant III-III de la figure 1. Sur ces figures, on voit que le dispositif générateur d'eau chaude 1 selon l'invention comporte un premier échangeur 2 constitué par la plaque creuse 3 située à l'endroit du contrecoeur 4 et par une grille 5 constituée de griffes 6, 6a, 6b disposée au-dessus de l'Stre 7, lesquelles sont munies de décorations 5a non représentées sur la figure l. La plaque 3 creuse dans son épaisseur se présente donc sous la forme d'une double enveloppe formée d'une plaque avant 8 comportant des aspérités 9 et 10 et d'une tôle plane arrière 11. Les plaques 8 et 11 sont reliées entre elles de façon étanche à liteau au moyen du joint d'étanchéité 12. Le deuxième échangeur 13 est constitué par la grille 5 formée d'une série de griffes 6, 6a, 6b supportant les bOches 14. La plaque creuse 3 comporte une cavité 15. Sur la plaque 8 côté flamme, on trouve des aspérités 16, 16a, 16b discontinues orientées verticalement pour améliorer la turbulence des gaz et formant un motif décoratif; certaines de ces aspérités, comme l'aspérité 16 et 10, sont pleines, d'autres plus épaisses comme l'aspérité 16a sont creuses, les cavités des aspérités étant en communication avec la cavité de la plaque. Les griffes 6 sont fixées par des boulons 17 de façon étanche à l'eau au moyen des joints 18. Dans ces joints, sont découpés deux trous 19 et 20 situés leur. au-dessus de l'autre et permettant d'in- trod-uire,par dérivation de l1eau l'intérieur des griffes, ladite eau transitant à l'intérieur de la cavité 21 de la griffe par convection. La paroi supérieure 22 de la cavité 21 se. présente sous la forme d'un plan incliné montant vers le haut de la plaque par rapport au plan horizontal 23. Cette cavité 21 présente en outre une paroi inférieure 24 inclinée de façon inverse par rapport au plan horizontal 23 comme on peut le voir sur la figure 2. Le dispositif 1 représenté sur les figures présente deux arrivées dTeau 25 et 25a situées au bas de la plaque 3 et deux sorties d'eau 26 et 26a situées dans la partie haute de la plaque 3. EXEMPLE Cet exemple vise un dispositif identique å celui représenté sur les figures avec ln = 50 cm; hauteur de la plaque = 60 om, longueur des sept griffes = 30 cm environ; section des griffes au niveau du raccordement : environ 30 mm. On obtient couramment les performances suivantes avec ce dispositif monté sur un circuit de chauffage central et en régime depuis deux heures Puissance brdlée - 13.000 kcal/h (4 kg de bois 25 % d'humidité) Débit d'eau dans le dispositif 303 l/h (donné par un circulsteur) Température moyenne d'entrée (retour des radiateurs) 350C Température moyenne de sortie 50 C t T moyen 15*C Puissance récupérée 4540 kealth Rendement (Rapport puissance brûlée/récupérée) 0,35 Rendement (Rapport puissance brulée/rayonnée dans la piNce 0,16 Rendement total 0,51 Au moins 35 % de l'énergie brillée sont récupérables par le dispositif. En comprenant l'énergie rayonnée dans la pièce, on a un rendement global de 50 %, ce qui équivaut aux meilleurs poiles å mazout et à charbon, qui ne permettent de chauffer qu'une pièce de l'habitat. La puissance récupérée peut titre nettement supérieure en augmentant le débit de bois ou en prenant un modèle plus important si la cheminée la permet. -R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif générateur d'eau chaude adapté å une cheminée feu ouvert, caractérisé en ce qu'il comporte - une plaque présentant des aspérités à sa surface côté flamme et comportant des cavités communiquant entre elles et situées dans l'épaisseur de la plaque et à l'intérieur des aspérités; - une grille supportant le combustible dans la partie basse de la plaque et constituée de plusieurs griffes creuses, les creux des griffes étant reliés en dérivation aux cavités de la plaque; - au moins une entrée d'eau froide, et au moins une sortie d'eau chaude, l'eau circulant dans l'ensemble desdits creux ou cavités; - l'entrée et la sortie d'eau étant reliées directement ou en dérivation à un circuit générateur de chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque est constituée d'une double enveloppe délimitée par une première plaque en fonte, ou en acier côté flamme comportant lesdites aspérités, sur laquelle est fixée de façon étanche une plaque métallique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites aspérités, tout en formant un motif décoratif, sont discontinues, de forme allongée et orientées verticalement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites griffes sont fixées de façon étanche à l'eau au bas de la plaque au moyen d'un joint, dans lequel on a découpé deux orifices situés l'un au-dessus de l'autre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arrivée d'eau froide est située en haut de ladite plaque, l'eau froide étant guidée vers le bas de la plaque au moyen d'un canal intérieur à ladite plaque. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi supérieure du creux de chacune des griffes est inclinée de telle sorte que la partie de ladite paroi située près de la plaque soit a un niveau supérieur à celui de la partie de la paroi située b l'autre extrémité de la griffe. 7. Dispositif selon la revendication 6t, caractérisé en ce que la paroi inférieure du creux de chacune des griffes est en outre inclinée de façon inverse par rapport a l'inclinaison de ladite paroi supérieure.