Brevet FR2409459A1 — publié le 19790615

L'invention concerne une chaudière qui est en particulier adaptée pour brûler un combustible du type bois ou analogue ; elle s'étend à un procédé de fabrication de cette chaudière. Les chaudières à bois existant actuellement sont constituées par une enceinte métallique contenant un échangeur de chaleur situé au milieu de la flamme . Ces chaudières présentent l'inconvénient de déterminer des consommations de bois importantes ; par exemple pour une chaudière fournissant 80000 kilocalories/heure ,la consommation de bois journalière est de l'ordre de 100 à 150 kg. On observe au bout d'un court temps d'utilisation des dépôts de goudron sur les parois métalliques, qui peuvent expliquer en partie ce mauvais rendement. La présente invention se propose de fournir une nouvelle chaudière, en particulier pour combustibles tels que bois ou anaiogues, qui bénéficie d'un rendement considérablement amélioré par rapport aux chaudières connues. L'invention vise également à indiquer un procédé de fabrication de cette chaudière, permettant de réaliser celle-ci dans les meilleures conditions. La chaudière conforme à l'invention est réalisée au moyen d'éléments en isolant réfractaire assemblés entre eux de façon à délimiter, d'une part, une partie basse formant le foyer dont les parois sont dépourvues intérieurement d'élément métallique, au moins sur leur plus grande surface, d'autre part, une partie haute contenant un échangeur de chaleur. Selon un mode de réalisation préféré, les éléments en isolant réfractaire sont en produit réfractaire à base de chamotte et de ciment fondu, et l'échangeur de chaleur est séparé du foyer,avec un passage pour les gaz chauds, par un élément de séparation revêtu inférieurement d'une couche en isolant réfractaire de même nature ; les paros du foyer sont ainsi intégralement dépourvues d'élément métallique, à l'exception, le cas échéant, de cornières métalliques entourant une porte située à l'avant de la chaudière, porte doublée intérieurement par une épaisseur d'isolant réfractaire. Dcune façon inattendue des essais comparatfs ont montré qu'une telle chaudière, à puissance égale, occasionne des consommations de combustible, notamment de bois, considéra blement réduites ; par exemple pour une puissance de 80000 kilocalories/heurela consommation est de l'ordre de 20 à 30 kg de bois par jour, c'est-à-dire 4 à 6 fois inférieure à celle d'une chaudière classique comparable. Ce résultat extrêmement inattendu est assez difficile à expliquer ; il semble provenir de plusieurs facteurs qui se combinent : état de surface et nature du matériau qui, contrairement au métal, ne suscite aucun dépôt de goudron et demeure inerte sans oxydation ni réaction de surface, concentration de la chaleur au niveau du foyer qui détermine une combustion à température plus élevée, etc... Le procédé de fabrication conforme à l'invention consiste à mouler les éléments de parois en isolant réfractaire, avec des formes appropriées pour permettre de réaliser un ensemble fermé, à assembler ces éléments les uns avec les autres au moyen d'un liant en vue de réaliser un volume fermé, et à mettre en place avant la fin de l'assemblage, l'changeur thermie que en partie haute du volume intérieur de la chaudière ainsi réalisée. En outre, l'élément de séparation est de préférence moulé en isolantre'ctake de même nature, et assemblé avec les autres éléments à l'intérieur du volume de la chaudière de façon à former une séparation entre le foyer et l'échangeur. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, le moulage des éléments en isolant réfractaire est réalisé en confectionnnant par addition d'eau une pâte visqueBseau moyen de chamot ponderales te et de ciment fondu dans des proportions # relatives approximati- ves de l'ordre de 70 à 75 % de chamotte pour 25 à 30 X de ciment fondu, en coulant cette pâte dans des moules de formes appropriées et en laissant sécher l'ensemble pendant au moins 24 heures. L'assemblage peut être réalisé au moyen de tenons ou mortaises, et les éléments de parois sont alors moulés de façon à présenter lesdits tenons ou lesdites mortaises le long de chants d'assemblage ou de zones d'assemblage voisines des chants des éléments. Selon une autre caractéristique de l'invention les éléments de parois de la chaudière sont moulés en isolant réfractaire et assemblés entre eux pour conférer à celle-ci une forme parallélépipédique rectangle avec une avancée antérieure dotée, d'une épaisseur sur sa face avant, de la porte doublée/d'isolant réfractaire moule sur celle-ci du côté interne. En outre, une jacquette d'habillage est avantageusement disposée a' l'extérieur autour des éléments en isolant réfractaire, cette jacquette étant constituée par des panneaux revetus de briquettes de parement avec un entourage métallique. L'espace compris entre cette jacquette et les éléments en isolant réfractaire peut être rempli d'un matériau granulaire isolant thermique, en particulier de sable Mermiculite. D'autres caracteristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en référence aux dessins annexés, lesquels présentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la description la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une chaudière conforme à l'invention, permettant dtilluster le procédé de réalisation de celle-ci, la a figure 2 est une coupe longitudinale de cette chaudière, la figure 3 en est une coupe transversale par un plan AA, la figure 4 est une vue de détail en coupe d'une porte qui équipe la chaudière à sa partie avant, la figure 5 est une vue de détail d'équipemené de sécurité monts sur les conduits d'eau raccordés à l'échan geur- thermique de la chaudière, les figures 6,7, 8et9 montrent en perspective trois modes de réalisation d'échangeurs susceptibles d'équiper la chaudière. La chaudière représentée à titre d'exemple aux figures combine une pluralité de caractéristiques originales qui ont été définies empiriquement au cours de nombreux essais pour accroftre au maximum son rendement et réduire en conséquence les consommations de combustible nécessaires. Cette chaudière est plus particulièrement adaptée à un combustible constitué par du bois ou un matériau analogue. Elle est essentiellement constituée par sept éléments de paroi, moulés en isolant réfractaire et assemblés entre eux pour conférer à la chaudière une forme parallélépipédique rectangle avec une avancée antérieure : une voute supérieure 1 de forme sensiblement rectangulaire comportant un conduit de fu mée 2, une soie inférieure 3 de forme sensiblement rectangulaire et de longueur pls importante que la voute, deux parois latérales 4 et S, chacune sensiblement à la forme d'un recLangle princi- pal 4a avec une avancée rectangulaire antérieure 4b, une paroi frontale 6 de forme sensiblement rectangulaire, adaptée pour fermer verticalement la partie haute antérieure située au-dessus de l'avancée, un élément linteau 7 de forme adaptée pour couvrir l'avancée, enfin une paroi postérieure 8 de forme sensiblement rectangulaire, adaptée pour fermer verticalement la face posté- rieure de la chaudière. Chacun de ces éléments est moulé dans un moule lui conférant une forme appropriée ; l'élément est fabriqué en confectionnant une pâte visqueuse par mélance d'eau, de chamotte et de ciment fondu, dans des proportions relatives d'environ 250 kg de chamotte pour 100 kg de ciment fondu ; le ciment fondu utilisé peut être n ciment du type "LAFARGE" en haute teneur en alumine. Après 24 heures de séchage, les éléments sont démoulés pour être assemblés entre eux. Les moules présentent des nervures et rainures appropriées pour confectionner sur les éléments des tenons tels que 9 ou mortaises telles que 10 qui sont amenés à coopérer deux à deux lors de l'assemblage. Un liant de fine granulométrie à base de ciment fondu permet de sceller les assemblaces d'éléments deux à deux. En outre, est prévue à l'avant de la chaudiè- re, une porte 11 (fig. 4) formée par une plaque métallique lla doublée intérieurement par une épaisseur 11b d'isolant réfractaire moulée sur celle-ci grâce à la présence d'une cornière périphérique llc ; cette porte est articulée à charnières dans la partie antérieure de l'avancée pour fermer celle-ci. Elle comporte de façon classique une trappe de ventilation 11d. De préférence cette porte est articulée à l'avant d'une des parois latérales 4 et s'appuie par son cadre métallique contre une protection métallique telle que 7b, prévue autour de l'avancée (fig. 2). Par ailleurs, les parois latérales 4 et 5 sont crac ne meulées pour présenter des rainures longitudinales intérieures telles que 12, situées au-dessus du niveau de l'avancée. Ces rainures sont appelées à maintenir un élément de séparation 13 et le ou les éléments d'un échangeur thermique 14 situé audessus de cet élément. Ainsi, comme le montrent les coupes des figures 2 et 3, le foyer (F) de la chaudière se trouve entièrement délimité par des parois en isolant réfractaire sans surface métallique, à l'exception de la très faible surface constituée par ltentourage llc de la porte. La mise en place de l'élément de séparation en isolant réfractaire 13 et de l'échangeur 14 s'effectue par l'a- vant de la chaudière avant montage de la paroi frontale 6, en glissant ces éléments dans les rainures 12 et en scellant ceux-ci au moyen d'un liant. Une fois les éléments de parois assemblés et l'échangeur thermique mis en place, la chaudière est disposée de façon classique à l'emplacement désiré sur une semelle en béton (non représentée), et une jacquette d'habillage est mise en place extérieurement autour des éléments en isolant réfractaire ; cette jacquette est en particulier constituée par quatre panneaux de réfractaire béton#revêtus de briquettes de parement avec un entourage métal- lique . deux panneaux latéraux 15 et 16, un panneau arrière 17 et un panneau avant 18 possédant une ouverture correspondante à la porte 11 ; ce panneau avant 18 est disposé au niveau de la partie avant de l'avancée de la chaudière et les autres panneaux 15, 16 et 17 sont disposés parallélement aux faces correspondantes avec un espace de séparation. Ces espaces de séparation situés entre panneaux de jacquette et éléments en isolant réfractaire sont remplis d'un matériau granulaire isolant thermique 19, en particulier vermiculite. L'échangeur de chaleur 14 représenté à titre d'exemple aux figures 1, 2, 3 et 6, comprend au moins un panneau métallique creux à l'intérieur duquel peut circuler un fluide, notamment de l'eau. En l'exemple représenté, deux panneaux métalliques creux ont été prévus -superposés et disposés en quiconce de façon à délimiter entre eux un circuit sinueux de gaz chauds. Ces panneaux sont reliés par des tubulures 20 et dotés d'un conduit d'arrivée d'eau 21 et d'un conduit de départ 22 pour confectionner un circuit d'eau. Dans ce mode de réalisation l'élément de séparation 13 est constitué par une couche en isolant réfractaire dont est revêtu inférieurement le panneau le plus bas. Comme représenté à la figure 2 chaque panneau métallique creux de l'échangeur thermique 14 est légèrement incliné pour remonter vers son conduit de départ d'eau en vue d'éviter les accumulations de bulles d'air, en facilitant le dégagement de celles-ci. En outre, l'élément liteau 7 est moulé si une forme adaptée pour faire saillie à sa partie arrière dans le volume Interne de la chaudière ; il présente une section en couteau qui délimite dans l'avancée de la chaudière un volume évasé de l'avant de la chaudière vers le coeur du foyer (F). Cette disposition améliore le tirage de la chaudière. De plus, le panneau de voute 1 possède une dépression intérieure 23 pour le guidage des gaz chauds vers le conduit de fumée 2. Ce dernier peut être formé par un manchon métallique sur lequel viendra s'adapter un conduit externe. La chaudière peut bien entendu être équipée d'autres modes de réalisation d'échangeurs de chaleur. Par exemple celle-ci peut être équipée par un échangeur du type de celui de la figure 7 qui combine un panneau métallique creux 24 avec sa couche inférieure d'isolant réfractaire 13' et des boudins 25 et 26 constitués par des conduits métalliques en spirales, situés au-dessus dudit panneau métallique creux 24. L'eau arrive par un conduit d'arrivée 27, parcourt le panneau creux 24 oU elle subit un premier échauffement, et circule ensuite parallèlement dans les boudins 25 et 26 où elle subit un échauffement complémentaire avant de ressortir par un conduit de départ 28. Le mode de réalisation d'échangeur de chaleur représenté à la figure 8 est constitué par la combinaison de serpentins 29 et 30 et de boudins 31 et 32 situés au-dessus d'un élément de séparation 13t en isolant réfractaire. L'eau arrive par un conduit d'arrivée 33, parcourt le serpentin inférieur 29, circule ensuite en parallèle dans les deux boudins 31 et 32, et parcourt le serpention supérieur 30 avant de s1,échapper par un conduit de départ 34. Quel que soit ie mode de réalisation choisi, le nt-tal dans lequel sont constitués les échangeur est un métal très bon conducteur de chaleur, en particulier du cuivre. Le foyer (F) entouré de parois en isolant ré réfractaire permet une combustion du bois à température élevée, sans dépôt de goudron ; le rendement de la chaudière est très élevé et l'énergie thermique recueillie par l'échangeur est de l'ordre de 4 à 6 fois supérieure à celle qui peut être recllie dans un échangeur classique avec la même quantité de combustible. L'échangeur thermique de la chaudière peut être connecté à un circuit de radiateurs dont on aperçoit à la figure 5, en 35 le conduit de retour d'eau branché l'entrée de l'échangeur et en 36 le conduit de départ d'eau chaude vers les radiateurs, lequel est branché à la sortie dudit échangeur. Selon une caractéristique de l'invention, la chaudière comprend, montée sur le conduit de départ 36, une dérivation d'évacuation vers l'égout 37, munie d'une vanne thermique d'écoulement 38, ainsi que, montée sur le conduit de retour 35, une dérivation 39 d'arrivée d'eau froide, munie d'une soupape de pression différentielle 40. La vanne thermique d'écoulement 38 de type connu en soi est associée å une sonde de température 41 placée e la sortie de l'échangeur thermique pour capter la température de l'eau à ce niveau et engendrer ltouverture de cette vanne 38 et l'évacuation de l'eau par la dérivation 37 au delà d'un seuil de température déterminé, par exemple de l'ordre de 95"C ; de plus, la soupape de pression différentielle 40 de type connu en soi est apte à s'ouvrir en cas d'apparition d'une différence de pression déterminée entre son entre et sa sortie : ainsi en cas de baisse de pression dans le conduit de retour 35 cette soupape assure le passage de lteau froide vers ltéchangeur thermique. Ces dispositions éliminent tout risque de surchauffe à l'intérieur de l'échangeur : si la température de sortie de celui-ci dépasse le seuil de 90"C, l'eau chaude est dérivée vers l'égout et la dépression qui se produit dans l'échangeur determine une entrée froide à travers la soupape 4. Bien entendu la chaudière est par ailleurs munie des divers équipements classiques : régulateur thermostatique agissant par une chaîne sur la trappe de ventilation lld, pompe de circulation, etc... L'invention n'est évidemment pas limi ée aux termes de la description qui précède, mais en comprend toutes les variantes. La chaudière conforme à l'invention est plus particuliè- rement adaptée à un combustible type bois ; toutefois l'invention s'étend à tout autre combustible, notamment charbon, fuel, etc... 'Dans ce cas, l'échangeur de chaleur sera de préférence en fonte. On a représenté à titre d'exemple à la figure 9 un échangeur de chaleur en fonte qui est positionné dans la partie haute de la chaudière de la même façon que les précédents, au dessus d'un élément de séparation 13''' en isolant réfractaire. Cet échangeur est constitué par plusieurs éléments creux en fonte, tels que 42, qui sont accolés et maintenus par des entretoises transversales logées dans des lumières 43 ; de façon connue en soi ces entretoises sont creuses et forment des conduits pour le passage de l'eau d'un élément à l'autre. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de fabrication dune chaudière, en particulier pour combustible tel que bois ou analogue, carac- térisé en ce qu'il consiste 3 mouler des éléments de paroi en iso- lant réfractaire, de fortes appropriées pour permettre de réalI- ser un ensemble fermé, à assembler ces éléments de paroi les uns avec les autres au moyen d'un liant en vue de réaliser un volume fermé, et à mettre en place avant la fin de l'assemblage un év,an- odeur thermique en partie haute du volume intérieur de la ch.audie- re ainsi réalisée. 2/ - Procédé de fabrication selon la revendication i, caracterisé en ce qu'il consiste à mouler à une forme appropriée un elément de séparation en isolant réfractaire et e assembler cet élément avec les autres à l'intérieur du volume de la chaudière, de façon que ledit élément sépare, avec un passage pour les gaz chauds, la partie basse de la chaudière formant le foyer de la partie haute de celle-ci qui contient l'échangeur. 3/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moulage des éléments en isolant réfractaire est réalisé en confectionnant par addition d'eau une pâte visqueuse au moyen de chamotte et de ci pondérales ment fondu dans des proportions/relatives approximatives de l'or- dre de 7C à 75 % de chamotte pour 25 à 30 % de ciment fondu, en coulant cette pate dans des moules de formes appropriées et en laissant sécher l'ensemble pendant au moins 24 heures. 4/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les éléments de paroi sont moulés de façon à présenter des tenons ou mortaises le long de chants d'assemblage ou de zones d'assemblage voisines des chants des éléments, ces tenons et mortaises étant amenés à coopérer deux à deux lors de l'assemblage. 5/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que sept éléments de paroi sont moulés en isolant réfractaire et assemblés entre eux pour conférer à la chaudière une forme parallélépipédique rectangle avec une avancée antérieure : une voute supérieure de forme sensiblement rectangulaire, une sole inférieure de forme sensiblement rectangulaire et de longueur plus importante que la voute, deux parois latérales, chacune sensiblement à la forme d'un rectangle prsncwpal avec une avancée rectangulaire antérieure re, ire rare frontale de orme sensiblement rectangulaire adaptée pour fermer verticalement la partie haute antérieure située su-dessus de l'avancée, un élément linteau de forme adaptée pour couvrir l'avancée, enfin une paroi postérieure de forme sensicle- ment rectangulaire daptée pour fermer verticalement la face pos tériere de la chaudière, une porte doublée d'une épaisseur d'isolant refractaire moulée sur celle-ci du côté interne, avec aménagement d'une trappe de ven; laticn, étant articulée à charni-re dans la partie antérieure de l'avancée pour fermer celle-ci. 6/ - Procédé de fabrication selon les revendi cations 2 et 5 prises ensemble, caractérise en ce que de'jX parois latérales sont chacune moulées pour présenter une rainure longitudinale intérieure située au-dessus du niveau de l'avancée, les bords de l'élément de séparation en isolant réfractaire étant disposés dans lesdites rainures en vue de son maintien. 7/ - Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux parois latérales sont cnacune mc~lées pour présenter, ouvre la rainure longitudinale pre- citée, une ou plusieurs autres rainures loncitudinales situées au dessus de cette dernière, l'échangeur thermique étant réalisé sous forme de panneaux creux superposes, lesquels sont disposes par leurs bords dans lesdites rainures en vue de leur maintien. 8/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une d'habillaçe jacquette/est disposée extérieurement autour des éléments en isolant réfractaire, cette Jacquette étant constituée par des panneaux revêtus de briquettes de parement avec un entourage métallique. 9/ - - Procédé de fabrication selon les revendi- cations 5 et 8 prises ensemble, caractérisé en ce que la Jacquet te comprend quatre panneaux, deux panneaux latéraux, un pannea arrière et un panneau avant avec une ouverture pour la porte, le anneau avant étant dispose au niveau de la partie avant de l'a- vancée précitée et les autres panneaux étant disposés paralléle- ment aux races correspondantes avec un espace de séparation, lesdits espaces de séparation entre panneaux de jacquette et éléments en isolant réfractaire tant remplis d' un matériau granulaire lso- lart thermique, en particulier de sable vermiculite. 10/ - Chaudière adaptée en particulier pour brûler un combustible du type bois ou analogue, caractérisée en ce qu'elle est réalisée au moyen d'éléments de paroi en isolant réfractaire assemblés entre eux de façon à délimiter, d'une part, une partie basse formant le foyer dont les parois sont dépourvues intérieurement d'éléments métalliques, au moins sur leur plus grande surface, d'autre part, une partie haute contenant un échangeur de chaleur. 11/- Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que les éléments en isolant réfractaire sont en produit réfractaire à base de chamotte et ciment fondu, l'é- changeur de chaleur étant séparé du foyer, avec un passage pour les gaz chauds, par un élément de séparation revêtu inférieurement d'une couche en isolant réfractaire de même nature, de sorte que les parois du foyer sont intégralement dépourvues d'éléments métalliques, à l'exception, le cas échéant, de cornières métalliques entourant une porte située à l'avant de la chaudière, porte doublée intérieurement par une épaisseur d'isolant réfractaire. 12/ - ChaudièreEelon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que ltéchangeur de chaleur comprend au moins un panneau métallique creux doté d'un conduit d'arrivée d'eau et d'un conduit de départ, le panneau le plus bas étant revêtu d'une couche en isolant réfractaire sur sa face inférieure pour faire office de séparation par rapport au foyer. 1-3/ - Chaudière selon la revendication 12, caractérisée en ce que son échangeur de chaleur est constitué par plusieurs panneaux métalliques creux, superposés et disposés en quinconce pour délimiter entre ceux-ci un-circuit sinueux de gaz chauds. 14/ - Chaudière selon la revendication 12, caractérisée en ce que son échangeur de chaleur est constitué par la combinaison d'un panneau métallique creux et de boudins réalisés par des conduits métalliques en spirale situés au-dessus dudit panneau métallique creux. 15/ - Chaudière selon l'une des revendications 12, 13 ou 14, caractérisée en ce que chaque panneau métallique creux estlégèrement incliné pour remonter vers son conduit de départ d'eau en vue du dégagement des bulles de gaz, 16/ - Chaudière selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est constitué par la combinaison de serpentins et de boudins, situés au dessus d'un élément en produit réfractaire isolant qui les sépa re du foyer, avec un passage pour les gaz chauds. 17/ - Chaudière selon l'une des revendications 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou 16, caractérisée en ce qu'elle comprend une avancée antérieure dans sa partie basse, cette avancée étant couverte par un élément linteau en isolant réfractaire faisant saillie à l'arrière dans le volume interne de la chaudière et ayant une section en couteau pour délimiter dans ladite avancée un volume évasé de l'avant de la chaudière vers le coeur du foyer. 18/ - Chaudière selon l'une des revendications 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 ou 17, caractérisée en ce qu'elle comprend un panneau de voute en isolant réfractaire possédant une dépression de guidage des gaz chauds vers un conduit de fumée qui traverse ledit panneau de voute. 19/ - Chaudière selon l'une des revendications 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 ou 18, associée à un conduit de retour d'eau des radiateurs, branché à l'entrée de son échangeur et à un conduit de départ d'eau chaude vers les radiateurs,branché à la sortie dudit échangeur, ladite chaudière étant caractérisée en ce qu'elle comprend, montée sur le conduit de départ vers les radiateurs, une dérivation d'évacuation munie d'une vanne thermique d'écoulement apte à assurer l'évacuation de l'eau par cette dérivation au delà d'un seuil de température déterminé, la chaudière comprenant, monte sur le conduit de retour des radiateurs, une dérivation d'arrivée d'eau froide munie d'une soupape de pression différentielle apte à assurer le passage de l'eau froide en cas de baisse de pression déterminée dans ledit conduit de retour. 20/ - Chaudière selon l'une des revendications 10, Pi, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ou 19, caractérisée en ce qu'elle est entourée d'une jacquetterevêtue de briquettes de parement avec interposition d'une couche de matériau granulaire isolant thermique entre les éléments isolants réfractaires et ladite jacquette.