Brevet FR2522781A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne les moyens mis en oeuvre dans les chauàlères pour assurer la combustion, l'alimentation et la régulation de combustion d'un combustible en vrac, solide et homogène. Par combustible solide en vrac et homogène, il faut comprendre ceux constitues par des fragments naturels de faible granulométrie, notamment de charbon ou encore des fragments reconstitués à partir de combustibles de tupe pulvérulent, tels que les granulés obtenus par compression, compactage ou extrusion de sciure de bois avec ou sans présence d'un liant. L'invention vise, plus particulièrement, un ensemble de combustion pour une chaudière de chauffage d'un véhicule caloporteur liquide, tel que de l'eau ou de l'huile, destine à chauffer des locaux par l'intermédiaire de radiateurs à circulation permanente entretenue ou intermittente. Dans le domaine d'application ci-dessus, ilest connu de faire fonctionner des chaudières avec des foyers de combustion dans lesquels sont placés des fragments de charbon, de granulométrie homogène, ou encore des granulés, tels que ceux à base de sciure. De tels foyers peuvent recevoir périodiquement une charge de combustible solide, homogeneoen vrac ou, au contraire, être alimentés de façon intermittente par un dispositif automatique prélevant du combustible à partir d'une trémie de stockage. Le premier mode d'alimentation ne permet pas d'obtenir un fonctionnement souple et régulier et représente une sujétion importante pour le personnel chargé de conduire le fonctionnement d'une telle chaudière. Le second procédé d'alimentation permet de supprimer les inconvénients ci-dessus et devrait, en conséquence, donner satisfaction. Cependant, on constate que l'allure de marche d'une chaudière est déterminée en moyenne par la fréquence d'alimentation intermittente et la charge de combustible délivrée pour chaque phase d'alimentation successive. En conséquence, il en résulte un fonctionnement/ certes relativement régulier, mais qui ne peut s'adapter aux variations de la demande correspondant, par exemple, à la mise en service instantanée d'un certain nombre de radiateurs supplé mentaires ou à une variation brutale de température extérieure. De toute façon, on conçoit également que, si une régulation de cette alimentation existait, il n'en résulterait pas pour autant une adaptation rapide de l'allure de marche de la chaudière en fonction de la demande, étant donné le délai s'écoulant nécessairement entre l'arrivée d'une charge supplémentaire d'un tel combustible et son état de combustion apte à modifier l'allure de marche de la chaudière. La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un nouvel ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation permettant d'adapter, de façon rapide et efficace, l'allure de marche d'tne chaudière et, par conséquent, les calories qu'elle fournit En fonction de la demande à partir d'un combustible en vrac, solide et homogène. Un objet de l'invention est de proposer un ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation se présentant soufi la forme d'un dispositif unitaire pouvant être adapté rapidement à toute chaudière existante, sans nécessiter de modification de sa structure, ni de celle de la chaudière. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouvel ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation de conception particulièrement simple et robuste et pouvant être produit à un prix de revient intéressant. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouvel ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation, qui puisse être adapté à la puissance d'une chaudière donnée par simple adaptation de ses caractéristiques constructives. Pour atteindre les buts ci-dessus, l'ensemble de com bastion, d'alimentation et de régulation pour chaudière à combustible en vrac, solide et homogène, est caractérisé en ce qu'il comprend - un foyer de combustion destiné à être placé à l'inté rieur d'une chaudière, possédant un dessus ouvert et dont le fond est constitué par un tube d'alimentation avec lequel il communique, - au moins une tubulure d'injection dans ledit foyer d'un air primaire d'activation produit par un venti lateur disposé à l'extérieur de la chaudière et dont le fonctionnement est placé sous la dépendance.d'une sonde de température* - des ouvertures de passade d'air secondaire ménagées dans le foyer en dessous du dessus ouvert, - un détecteur de niveau de remplissage en combustible du foyer commandant le fonctionnement du tube d'ali mentation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description ci-dessous faite en référence aux dessins annexés qui montrent une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation schématique d'une chaudière équipée d'un ensemble conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale prise, à plus grande échelle, selon la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une vue en plan prise, à plus grande échelle, selon la ligne III-III de la fig. 1. La fig. 1 montre une chaudière 1 comprenant une enveloppe extérieure 2, allongée, d'axe général horizontal, fermée à ses deux extrémités par deux parois 3 et 4. La paroi 3 supporte une boîte à suie 5 comportant un manchon supérieur 6 de raccordement avec un conduit 7 de cheminée. L'enveloppe 2 contient, intérieurement, une chemise 8, par exemple de type cylindrique, comportant un fond 9 et une extrémité ouverte 10 traversant la paroi 4 de l'enveloppe 2. L'extrémité ouverte 10 peut être fermée par une porte 11, de tout type convenable, par exemple articulée sur des charnieres non représentées. La chemise 8 et l'enveloppe 2 délimitent ensemble une capacité ou enceinte annulaire 12, remplie d'un fluide caloporteur qui peut être amené à circuler en direction d'une installation d'échange, telle qu'une installation de chauffage central, par des canalisations de départ et de retour 13 et 14. La chemise 8 délimite, à l'intérieur de l'enveloppe 2, une chambre de combustion 15 qui est reliée à la boîte à suie 5 par l'intermédiaire de conduits de fumée 16 contribuant, éventuellement à assurer aussi le maintien et l'immobilisation de la chemise 8 à l'intérieur de l'enveloppe 2. Des tubes de circulation 17 traversent la partie inté rieure de la chemise 8 pour déboucher dans l'enceinte 12. Ces tubes 17 forment ensemble, en quelque sorte, une sole 18 permettant de supporter, directement ou en combinaison avec une grille à mailles, du combustible en vrac, de nature hétérogène, tel que du charbon ou des bûches de bois. L'objet de l'invention est de proposer un ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation pour l'alimentation d'une chaudière, telle que décrite ci-dessus, avec un combustible en vrac, solide, homogène et de faible granulométrie, constitué par des fragments calibrés de charbon ou, encore, par des granulés reconstitués à partir de matières combustibles tels que de la sciure de bois. Selon l'invention, l'ensemble comprend un foyer de combustion 19 destiné à être placé dans la chambre 15 en appui directement sur la sole 18 que forment les tubes 17 ou, encore, suspendu à une structure porteuse 20 faisant partie de la chemise 8 et représentée en traits mixtes à la fig. 1. Le foyer 19 s'élève à partir d'un tube d'alimentation 21 destiné à traverser la porte 11 et à relier le foyer 19 à une trér mie de stockage du combustible en vrac, non représentée.Le tube d'alimentation 21 est, de préférence, constitué par la gaine d'une vis d'alimentation sans fin 22 entraînée de façon connue par un moteur électrique. De préférence, le tube 21 représente, au moins en partie, le fond du foyer 19 qui est délimité par deux parois transversales 23 reliées entre elles par deux parois longitudinales 24 raccordées au fond 22. Les parois transversales 23 sont, de préf é- rence, planes, alors que les parois longitudinales, parallèles à l'axe du tube 21, comprennent deux parties 24a formant un divergent par rapport à la section du fond 22 et deux parties 24b planes s'étendant de façon sensiblement verticale. Les parois 23 et les parties 24b définissent ensemble un dessus ouvert 25 et portent, dans le plan de ce dessus, un encadrement de tête 26 sensiblement plan. L'encadrement 26 déborde, de part et d'autre du plan vertical de chacune des parois, vers l'intérieur et l'extérieur du foyer. L'encadrement de tête 26 comporte, dans sa partie débordant vers l'extérieur, des trous 27 dont la fonction apparat dans ce qui suit. Les parties planes et sensiblement verticales 24b présentent des lumières 28 de direction verticale destinées à établir une communication entre le volume interne 29 du foyer et la chambre 15. Les parties 24a portent intérieurement des déflecteurs de répartition 30 qui sont constitués par des segments de parois ou ailes. La hauteur de ces déflecteurs décroît progressivement depuis la section de raccordement entre le tube 21 et le foyer 19, afin de délimiter une section de passage croissant progressivement en direction de la paroi transversale 23 opposée (fig. 3). Les déflecteurs 30 sont, de préférence, plans et orientés en direction l'un de l'autre, en définissant un angle de convergence compris de préférence entre 120 et 150 . Les parties angulaires rentrantes définies par les faces supérieures des déflecteurs 30 et les parties 24a sont, de préférence, occupées par deux moyens d'allumage 31 qui peuvent être constitués par des résistances électriques. Les parois longitudinales 24 portent deux tubulures 32 qui peuvent être rapportées intérieurement ou faire partie intégrante de la structure des parois longitudinales. Les tubulures 32 s'étendent parallèlement à l'axe du tube d'alimentation 21 et comportent, dans leurs parois, une fente continue ou une série de trous 33 orientés vers l'intérieur du volume 29 en étant situés à un niveau inférieur à celui de la base des lumières 28. Les tubes 32 sont raccordés, à l'extérieur du foyer 19, à un boîtier de répartition 34 dont l'entrée est reliée, par une gaine 35, à la sortie d'un ventilateur 36 dont le fonctionnement est placé sous la dépendance d'une sonde de température. Dans l'exemple considéré, la sonde de température est, par exemple, formée par un-élément sensible appréciant la température d'un local d'habitation. Le foyer est, par ailleurs, associé à un détecteur de niveau de remplissage 37 destiné à commander le fonctionnement du tube d'alimentation 21 et, en l'occurence, la mise en rotation par un moteur électrique de la vis 22. Le détecteur 37 est formé par un palpeur 38, tel qu'une grille, un cadre, un panneau, ajouré ou plein, dont les caractéristiques dimensionnelles sont compatibles avec l'ou- verture ménagée par l'encadrement de tête 26. Le palpeur 38 est porté par un levier 39 susceptible de pivoter dans au moins un palier 40 porté par l'encadrement de tête 26 et orienté parallèlement à l'axe du tube 21.Le levier 39 traverse la porte 11, au-delà de laquelle il comporte une partie terminale 41 d'actionnement d'un boîtier 42 comportant des contacteurs électriques commandant la mise sous tension du moteur d'entraînement en rotation de la vis 22 et d'organes de sécurité divers. De préférence, le palpeur 38 est monté de manière à pouvoir pivoter sur le levier 39 selon un axe perpendiculaire à celui défini par les paliers 40. L'ensemble décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante. A partir de l'état selon la fig. 2, le détecteur 37 commande la mise sous tension du tube d'alimentation 21, de manière que la rotation de la vis 22 amène du combustible en vrac, solide et homogène dans le foyer 19. L'alimentation qui est ainsi effectuée a pour résultat un remplissage progressif, par élévation du niveau de combustible dans le-volume 29. Les segments de parois 30, compte tenu de leur variation de hauteur, assurent une répartition de remplissage sur toute la longueur utile, afin d'obtenir un niveau sensiblement régulier. Le remplissage est effectué de cette manière jusqu'au moment où le palpeur 38, sollicité dans le sens de la flèche f1, commande, par le boîtier 42, l'interruption de fonctionnement du moteur d'entraînement en rotation de la vis 22.Dans cet état, le niveau de remplissage N est, par exemple, celui déterminé en traits mixtes à la fig. 2. L'allumage de la masse de combustible contenu dans le foyer est effectué par les moyens 31. La position relative de ces moyens 31 permet d'éviter tout risque de détérioration consécutif à l'élévation du combustible dans le foyer 19. En considération d'un état de fonctionnement normal, dans lequel la montée en puissance de la chaudière a été effectuée pour conférer la température voulue au véhicule caloporteur, la combustion du combustible s'effectue à partir de la couche supérieure sur une épaisseur qui est déterminée par la hauteur des lumières 28. En effet, ces dernières permettent la circulation d'un air secondaire traversant la porte 17 par l'intermédiaire d'un registre réglable 43. Il en résulte une combustion continue progressive de l'épaisseur de combustible intéressée et correspondant à la zone d'influence active des lumières 28. Au fur et à mesure de la combustion, le niveau N a tendance à baisser, ce qui entraîne le détecteur 37 dans le sens de la flèche f2. Lorsque ce détecteur atteint le niveau minimal, le levier 40 commande le boîtier 42 qui rétablit l'alimentation de la vis sans fin 22 pour assurer l'apport d'une charge nouvelle de combustible, en vue de compléter le niveau de remplissage à l'intérieur du foyer 19. Il y a lieu de noter que, pendant la phase de fonctionnement, comme ci-dessus, la contrainte exercée par la charge de combustible à l'intérieur du foyer 19 est en partie reprise ou supportée par les ailes 30. Il en résulte une réduction de la contrainte verticale supportée par la vis 22 qui peut ainsi être entraînée en rotation, de manière régulière pour contribuer à un remplissage progressif et précis du volume utile 29 du foyer 19. Il y a lieu de noter également que tout risque de débordement éventuel du combustible, par suite de l'expansion consécutive à la combustion, est combattu par l'encadrement de tête 26. En effet, le déversement ou débordement éventuel, à partir du niveau supérieur N, amène les fragments ou granulés de combustible en appui sur l'encadrement jusqu'au moment où, apres combustion complète, les cendres résultantes sont naturellement déversées par les ouvertures 27 dans un cendrier 44 disposé sous la sole 18. Dans la mesure où, au cours d'un fonctionnement continu, tel que décrit ci-dessus, il est nécessaire d'accroître l'allure de marche de la chaudière, en we par exemple de répondre à une demande supérieure, la sonde sensible à la baisse consécutive de température de référence commande la mise sous tension du ventilateur 36. L'air pulsé ainsi fourni emprunte la gaine 35, le répartiteur 34 et les tubulures 32 qui en assurent la distribution et la répartition dans la masse de combustible en dessous de la couche de braises en combustion. Il en résulte une activation de la combustion qui intéresse progressivement des couches de plus en plus basses, en fournissant ainsi un surplus de calories pouvant être transmis au véhicure caloporteur occupant l'enceinte 12. Au fur et à mesure que cette activation de la combus tion entraîne un abaissement du niveau de remplissage, le détecteur 37 fonctionne comme dit précédemment, afin de fournir par la vis 22 un complément de remplissage en combustible. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'ensemble conforme à l'invention permet d'assurer la combustion régulière continue d'un combustible solide en vrac, homogène, d'adapter l'allure de marche de la chaudière en fonction des calories devant être produites pour répondre à la demande et de commander l'alimentation automatique du foyer de combustion à partir d'une trémie de stockage disposée extérieurement à la chaudière. En outre, la disposition constructive de l'ensemble permet d'obtenir une combustion régulièrement répartie sur toute la surface utile du foyer, afin d'obtenir une couche d'épaisseur sensiblement constante, soit en combustion lente, par l'intermédiaire des ouvertures 28, soit en combustion activée, sous l'action de l'air primaire délivré par les tubulures 32. L'objet de l'invention peut être aisément adapté aux puissances des chaudières à équiper en prévoyant de modifier la longueur du foyer. Il peut aussi être prévu d'équiper des chaudières de grande puissance avec deux ou plusieurs ensembles tels que décrits ci-dessus. Selon une autre disposition de l'invention, il est prévu de conférer, à la partie de la vis 22 proche de la paroi transversale opposée à la porte 11, une fraction d'hélicoide 22a de pas contraire, afin d'éviter tout risque de bourrage du combustible solide délivré dans le volume utile 29. Le boîtier 42 peut être prévu pour commander le fonctionnement du tube d'alimentation 21 pendant une durée maximale déterminée, afin d'interrompre un tel fonctionnement lorsque, par exemple, la trémie de stockage est vide. Le boîtier 42 peut être aussi mis en oeuvre pour assurer, par exemple, l'injection dans le tube 21 ettou le foyer 19 d'un produit extincteur, tel que de l'eau, en cas de fonctionnement anormal et de surchauffe du foyer, ainsi que de combustion éventuelle à l'intérieur du tube 21 appréciés par au moins un détecteur interne à la chaudière. Un autre avantage de l'invention réside dans la cons truction particulière du détecteur 37 dont le palpeur 38 est articulé pour pivoter selon un axe perpendiculaire à celui du pivotement du levier 39 le portant. De cette manière, il devient possible de tenir compte d'un niveau N de remplissage irrégulier, dans le sens longitudinal du foyer, avant de commander le pivotement du levier responsable de la commande par le boîtier 42 de l'arrêt de fonctionnement du tube d'alimentation 21. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit en détail car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de combustion, d'alimentation et de régulation pour chaudière à combustible en vrac, solide et homogène caractérisé en ce qu'il comprend - un foyer de combustion (19) destiné à être placé à l'intérieur d'une chaudière (1), possédant un dessus (25) ouvert et dont le fond (22) est constitué par un tube d'alimen tation (21) avec lequel il communique, - au moins une tubulure (32) d'injection dans ledit foyer d'un air primaire d'activation pro duit par un ventilateur (36) disposé à l'ex térieur de la chaudière et dont le fonctionne ment est placé sous la dépendance d'une sonde de température, - des ouvertures (28) de passage d'air secon daire ménagées dans le foyer en dessous du dessus ouvert, - un détecteur (37) de niveau de remplissage en combustible du foyer commandant le fonctionne ment du tube d'alimentation. 2 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le foyer (19) s'élève à partir de l'ouverture du tube d'alimentation (21) et comprend un fond (22) constitué au moins en partie par ledit tube, deux parois transversales (23) et deux parois longitudinales (24) définissant entre elles un divergent. 3 - Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le foyer (19) comporte deux parois (24a) divergentes, prolongées par des parties de parois (24b) sensiblement verticales menant au dessus ouvert (25) et dans lesquelles sont ménagées des fentes (28) d'orientation verticale représentant les ouvertures de passage d'un air secondaire amené par le registre de la chaudière. 4 - Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le foyer (19) comporte deux tubulures (32) d'injection d'air primaire définissant un niveau d'injection vers l'intérieur du foyer situé en dessous des ouvertures (28) de passage d'air secondaire. 5 - Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le foyer (19) comporte un dessus ouvert (25) bordé par un encadrement (26) de forme générale plane horizontale, débordant vers l'intérieur et vers l'extérieur dudit foyer et pre- sentant des ouvertures (27) ménagées dans sa partie débordant vers l'extérieur. 6 - Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le foyer (19) comporte des déflecteurs (30) de répartition placés sur les faces internes des parois longitudinales (24) selon une direction sensiblement parallèle à l'axe du fond (22) et du tube d'alimentation (21). 7 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de remplissage (37) est constitué par un palpeur (38) formé par une structure plane montée en bout d'un levier (39) pivotant sur un axe parallèle à l'axe du tube d'alimentation et actionnant des contacteurs de commande du fonctionnement du tube d'alimentation. 8 - Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le détecteur (37) est constitué par un palpeur plan (38) porté par le levier (39) et susceptible de pivoter par rapport à ce dernier sur un axe perpendiculaire à celui de pivotement du levier. 9 - Ensemble selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le détecteur de remplissage (37) est porté par l'encadrement (26). 10 - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube d'alimentation (21) comprend une vis sans fin (22) s'étendant dans la partie du tube formant le fond du foyer et dont l'extrémité interne à ce foyer comporte une partie d'hélicoide (22a) de pas contraire. 11 - Ensemble selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que le foyer (19) comporte deux moyens (31) d'allumage placés parallèlement aux déflecteurs de répartition (30).