Brevet FR2589988A1 — publié le 19870515

La présente invention concerne une chaudière à combustible solide, en particulier pour du bois, comprenant une chambre de combustible ayant une pièce de fond résistant au feu qui présente au moins une fente longitudinale s'ouvrant dans une chambre de combustion sous-jacente fermée vers le bas, la pièce de fond ayant des canaux s'ouvrant dans la fente et communiquant avec un ventilateur entraîné par moteur pour souffler de l'air primaire dans la chambre de combustible et pour souffler de l'air secondaire directement dans la fente à travers les canaux dans la pièce de fond. Une telle chaudière à combustible solide est connue du document US-A-4 516 534. A la fois la chambre de combustible et la chambre de combustion sous-jacente sont, dans la chaudière connue, presque complètement entourées par des doubles parois pour former une chambre d'eau qui les entoure, dans laquelle l'eau peut circuler pour être chauffée. En particulier, les gaz de combustion peuvent seulement sortir de la chambre de combustion sous-jacente vers la cheminée à travers un certain nombre de canaux allongés étroits formés par une structure en feuille ondulée sur la paroi intérieure de la chambre d'eau. Dans cette chaudière, et dans d'autres chaudières de type semblable, l'air de combustion est fourni par un ventila-- teur de façon à être indépendant du tirage de la cheminée, et à la fois l'air primaire et l'air secondaire sont fournis car on cherche à obtenir à la fois une bonne combustion primaire (distillation des gaz de combustible) et une bonne combustion secondaire (combustion des gaz avant qu'ils n'atteignent le conduit de fumées de la chaudière), de sorte que toute l'énergie thermique du combustible est exploitée. En fait, la combustion du combustible a lieu vers le bas à travers la fente. En pratique, il n'est pas facile d'obtenir une combustion optimale quand le combustible est un "biocombustible" sous forme de pièces de bois, rognures et copaux de bois, paille, coquilles et autres matériaux. Une chaudière est facilement optimisée pour une forme de combustible à une charge particulière, mais il est très difficile de fabriquer une chaudière qui brûlera le combustible de façon optimale dans des conditions variables et, en particulier, pour des charges variables. En considération du document US-A-4 516 534 mentionné ci-dessus, l'objet de l'invention consiste à fournir une chaudière à combustible solide du type indiqué précédemment, dans laquelle est atteinte une efficacité élevée de combustion tout en ayant une teneur très faible de fumées et de particules de suie dans le conduit de sortie1 et, ainsi, une très faible pollution, pour un très grand domaine de charges, et dans laquelle le problème du nettoyage est le plus faible possible et le risque d'interruptions en fonctionnement intervenant du fait de l'accumulation de cendres et d'autres restes de combustion est le plus faible possible. A cet effet, la chaudière à combustible solide, du type indiqué ci-dessus, est remarquable, selon l'invention, en ce que la chambre de combustion sous-jacente est formée à partir d'un matériau résistant au feu en ayant une ouverture avant opposée à une porte pour les cendres, et est au moins partiellement entourée par une zone d'après- combustion qui est sensiblement isolée thermiquement du milieu ambiant et présente une direction d'écoulement sensiblement opposée à la direction d'écoulement dans la chambre de combustion. La structure revendiquée de la chambre de combustion, réalisée à partir d'un matériau résistant au feu et ayant une zone d'après-combustion pour l'entourer sensiblement isolée thermiquement, fournit une durée de résidence considérablement prolongée des gaz de combustion dans la zone à température élevée de la chaudière. Cela améliore la réaction des gaz de combustion avec l'air qui est soufflé dans la fente dans la pièce de fond pour la combustion secondaire. Dans la chaudière conformément à l'i-nvention, la chambre de combustion immédiatement au-dessous de la pièce de fond est complètement entourée par du matériau résistant au feu à l'exception de l'ouverture avant opposée à la porte pour les cendres, et ce matériau résistant au feu, à son tour, est entouré par la zone d'après-combustion. La perte de chaleur directe à partir des gaz de combustion dans la chambre de combustion par rayonnement ou convection est, en conséquence, très faible, de sorte que la chaleur développee par la combustion sert principalement à augmenter la température des gaz ce qui contribue à une ignition très efficace. Le passage subséquent des gaz à travers la zone d'aprèscombustion sensiblement isolée thermiquement fournit un temps supplémentaire pour achever la combustion et aide de plus à isoler thermiquement encore plus la chambre de combustion du milieu ambiant. La quantité de cendres dans la chaudière est relativement faible à cause de la combustion complète. Les cendres se rassemblent principalement dans la zone devant la porte pour les cendres où l'écoulement de gaz tourne, et sont facilement retirées à travers la porte pour les cendres. L'écoulement de gaz subséquent n'entraîne que très peu de cendres volantes. L'efficacité thermique d'une chaudière à combustible solide typique conforme à l'invention est comprise entre 70% et 85%, et l'émission de particules est, typiquement, de 50 mg/m3. La puissance thermique peut être réglée dans un très large domaine en faisant fonctionner ou non le ventilateur. La fonction démarrage/arrêt du ventilateur peut être commandée de façon habituelle, comme on le connais, par exemple, pour des chaudières à gaz ou à mazout habituelles. Dans une chaudière de taille normale, par exemple pour le chauffage d'une habitation individuelle habituelle, la puissance thermique peut être réglée entre 5 et 30 kW. La réserve de combustible doit être remplie de temps en temps, de façon typique, de une à six fois par jour selon la consommation de chaleur et, ainsi, la puissance demandée pour la chaudière, mais, à par cela, la chaudière fonctionne tout à fait de la même façon qu'une chaudière habituelle à gaz ou à mazout complètement automatique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau résistant au feu qui entoure la chambre de combustion est agencé à une certaine distance au-dessus du fond résistant au feu de la chaudière de sorte que la zone d'après-combus- tion s'étend en particulier au-dessous du fond de la chambre de combustion. Ainsi, on atteint une efficacité améliorée dans la zone d'après-combustion qui suit la chambre de combustion, car le fond de la chaudière est résistant au feu et isolé thermiquement, et, ainsi, non refroidi à l'eau. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la chambre de combustion comprend un certain nombre de "pierres" résistant au feu qui sont jointes pour constituer la pièce de fond. Ainsi, on obtient une structure très simple et solide, combinée d'une grille et d'un canal de flammes pour le combustible, qui est également facilement assemblée et insérée dans la chaudière. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de combustion est formée dans une pièce de fond réalisée à partir de deux pierres résistant au feu jointes, de symétrie spéculaire, qui sont séparées l'une de l'autre le long d'un plan vertical à travers le milieu de la fente. Ainsi, il est pratiquement impossible d'assembler la pièce de fond de façon incorrecte, et celle-ci est de construction particulièrement simple. En particulier, chacune des deux pierres résistant au feu de symétrie spéculaire peut être réalisée, à partir d'un matériau résistant au feu, en une seule pièce avec un canal plus grand pour l'air secondaire s'étendant parallèlement à la fente et communiquant avec un certain nombre de canaux plus petits qui sont à angle droit par rapport à celui-ci et s'ouvrent dans la fente. Cette particularité est particulièrement bien adaptée pour le moulage à partir de matériau résistant au feu, à cause de la conception simple des canaux. En laissant le ventilateur souffler tout l'air de combustion directement dans la chambre de distribution et en guidant l'air à la combustion à partir de celle-ci par des canaux séparés d'air primaire et d'air secondaire, il est possible, de façon simple, de toujours garantir uhe distribution correcte de l'air de combustion et de garantir une possibilité de réglage individuel du rapport volumique entre l'air primaire et l'air secondaire. Il est d'importance particulière qu'un volume suffisant d'air soit toujours disponible pour être délivré en tant qu'air secondaire, et que celui-ci soit commandable de façon séparée. Ainsi, selon une autre caractéristique de l'invention, le ventilateur souffle de l'air de combustion dans une chambre de distribution d'air placée entre la porte pour les cendres et une porte d'alimentation en combustible, et l'air secondaire est fourni à partir de la chambre de distribution d'air aux canaux dans la pièce de fond à travers au moins un canal dans une "pierre" résistant au feu montée au dos de la porte pour les cendres. De ce fait, une partie de la chaleur qui, autrement, serait émise par rayonnement à partir de la porte pour les cendres, est transférée à l'air secondaire. Cela est important car la porte pour les cendres est située devant l'endroit le plus chaud de la chaudière, qui se trouve devant l'ouverture dans la chambre de combustion où l'écoulement des gaz tourne et est conduit dans la zone d'après-combustion.Il est très avantageux que l'air secondaire soit chauffé de façon puissante car cela donne une meilleure combustion et une efficacité améliorée. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le passage de la chambre de distribution d'air au canal ou aux canaux à travers la pierre résistant au feu au-dos de la porte pour les cendres peut être rétréci par mise en oeuvre de moyens de régulation reliés à une poignée extérieure. Ainsi, le rapport entre l'air primaire et l'air secondaire peut être réglé de façon simple. Habituellement, il est avantageux de pouvoir régler la quantité d'air secondaire selon le type et les propriétés du combustible, et en particulier sa teneur en humidité. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, sur chaque côté de la porte d'alimentation, il y a un canal d'air pour l'air primaire conduisant de la chambre de distribution d'air à une ouverture au-dessus dans la chambre de combustible. Ainsi, le cadre autour de la porte d'alimentation est refroidi et, en conséquence, le transfert de chaleur de la chaudière au milieu ambiant est réduit, tandis que, en même temps, l'air primaire est préchauffé ce qui donne une meilleure combustion et une efficacité améliorée. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le ventilateur est placé sur le dessus de la chaudière et est relié à la chambre de distribution d'air par un canal d'air sensiblement vertical sur un des côtés de la chaudière. Ainsi, la chaudière est habituellement plus facile à installer dans une pièce, et prend moins de piace dans celle-ci, que si le ventilateur était monté sur un des côtés latéraux de la chaudière ou sur sa paroi avant. En particulier, le ventilateur peut être commandé par un thermostat de chaudière. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une coupe verticale plane centrale d'une chaudière selon l'invention, à angle droit des portes de la chaudière. La figure 2 montre la même chaudière de l'avant avec le foyer et la chambre de combustion. La figure 3 montre l'une des deux pierres résistant aù feu qui constitue la pièce de fond et la chambre de combustion de la chaudière de la figure 2. La figure Li montre un autre exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention, où la pièce de fond et la chambre de combustion ont une forme différente. La figure 1 montre une chaudière selon l'invention, dont la réserve de combustible 1 est remplie de bûches 111 qui sont brûlées dans le foyer 15. Un ventilateur 11, par exemple un ventilateur électrique centrifuge, souffle de l'air de combustion vers le bas à travers un canal vertical 8 (voir également la figure 2) dans une chambre de distribution d'air 10 à partir de laquelle l'air est guidé plus loin sous forme d'air de combustion primaire et d'air de combustion secondaire. L'air primaire est guidé vers le haut à travers un canal 9 sur chaque côté de la porte d'almenta- tion 12 et jusqu'à deux orifices d'entrée P au-dessus dans la réserve de combustible et vers l'intérieur au-dessus du combustible.Le cheminement de l'air est indiqué par des flèches montrant la direction d'ecoulement. L'air secondaire est guidé vers le bas à travers deux canaux 7 dans une "pierre" 6 résistant au feu derrière une porte 13 pour les cendres, les canaux 7 ayant une forme angulaire, voir la figure 1. L'air secondaire est guidé dans des canaux 5 dans la pièce de fond 15 formant foyer. Dans la pièce de fond 15, il est prévu une fente allongée 27 sur la plus grande partie de la profondeur de la réserve de combustible, fente dans laquelle l'air secondaire est introduit à travers une série de trous ou canaux en forme de buse, étroitement espacés l'un de l'autre et disposés sur chaque côté de la fente 27. Comme cela est montré sur la figure 3, les trous de buse 4 se trouvent l'un contre l'autre, par exemple le long'une longue rangée dans la fente 27. Les trous 4 ont un diamètre de 2-5 mm, et, dans une chaudière typique ayant un domaine de puissance de chauffage de 5-30 kW, il y a de 30 à 40 trous de buse sur chaque côté de la fente 27. Par l'intermédiaire de l'alimentation en air secondaire, on établit une zone de combustion pour la combustion secondaire du combustible dans la fente 27, où les flammes et la combustion sont guidées vers le bas par la légère surpression dans la chambre de combustible, qui est établie par l'air primaire. La chambre de combustion 2 est ouverte à l'avant, vers la porte 13 pour les cendres, et la chaudière est de plus agencée de sorte que l'écoulement est dévié et est tourné vers l'arrière et autour de la chambre de combustion 2, après quoi la chaleur est conduite à travers une chambre 17 et jusqu'à la zone de convection 19 qui est entourée par l'eau 22 de la chaudière, puis à travers la boite à fumées 20 jusqu'au conduit de sortie des fumées 21 et, ensuite, jusqu'à la cheminée de façon habituelle. En dessous et autour de la chambre de combustion, il est établi une zone d'après-combustion 3 et 16 où se produit une complète après-combustion de tous les gaz libérés. Le fond 30 de la chaudière est isolé thermiquement et, au-dessus du fond de la chaudière, est placé un fond 18 résistant au feu. En outre, la chaudière est équipée de connexions d'aller et de retour 23 pour l'eau des radiateurs de la façon habituelle. La chaudière peut également être équipée pour le chauffage de l'eau de consommation, par exemple en prévoyant une spirale de chauffage 24. Comme la combustion, conformément à l'invention, fonctionne avec une légère surpression dans la chambre de combustible 1, on ne pourra pas ouvrir la porte d'alimentation 12 sans que des fumées ne s'échappent de la porte tandis que le ventilateur 11 fonctionne. A cause de cela, on prévoit une soupape de dérivation 25 pour les gaz de fumée, de sorte que cette soupape de dérivation peut être ouverte manuellement avant d'ouvrir la porte 12 d'alimentation.Des fumées éventuellement présentes dans laréserve de combustible seront ainsi conduites directement à la cheminée à travers la boite à fumées 20 et le conduit 21 de sortie des fumées. L'alimentation d'air secondaire dans la fente de combustion 27 peut être réglée à l'aide d'une poignée de réglage 26 (voir figure 2) grâce à laquelle les orifices d'entrée dans les canaux 7 dans la pierre 6 résistant au feu peuvent être plus ou moins fermés. Sur la figure 3 du dessin, on voit une des deux "pierres" 15 de symétrie spéculaire, qui constituent le fond de foyer 15 et la chambre de combustion 2 combinés, et qui forment la fente de combustion 27 qui s'étend entre elles. En outre, on voit plus clairement sur la figure 3 comment le canal 5 d'air secondaire et les canaux ou buses 4 d'alimentation sont conformés. La chambre de combustion 2 est ouverte dans la direction avant vers la porte pour les cendres, l'ouverture 29 servant d'ouverture de canal de flammes (voir également la figure 1). La combinaison de la grille et du canal de flammes 15 est très solide et de construction robuste, et est fabriquée, par exemple, par moulage à partir d'un matériau résistant au feu, de sorte qu'el-le peut tolérer les très hautes températures qui règnent dans la fente de combustion 27 quand de l'air secondaire y est soufflé. Les surfaces de chauffage de la chaudière sont entourées par des chambres d'eau, de façon habituelle, des deux côtés de la chaudière, à l'arrière de celle-ci et au-dessus' de celle-ci. Il n'y a pas de refroidissement d'eau au fond de la chaudière, car on souhaite atteindre une température de combustion aussi élevée que possible. Dans le canal d'air à partir du ventilateur 11 vers la chambre de distribution d'air 10, on peut agencer une soupape d'air qui est fermée quand le ventilateur est stoppé. Cet agencement garantit que la chaudière ne continue pas à fonctionner à une capacité réduite soumise au tirage naturel quand le ventilateur 11 est coupé. La fonction de la chaudière peut, ainsi, être comparée à une chaudière fonctionnant au gaz ou au mazout, où le feu démarre et s'arrête selon la demande de chaleur, par exemple sous la commande d'un thermostat de chaudière marche/arrêt de régulation. Des expériences de chauffage réalisées avec la chaudière ont montré une efficacité thermique de 70-85% avec combustion sans suie, si on utilise des bûches ayant au plus une teneur en humidité de 25%. A cause de la combustion complète, il ne se crée qu'une très petite quantité de cendres qui sont facilement retirées par la porte 13 pour les cendres, car les cendres se rassemblent principalement dans la chambre 3. Sur la figure 4, est montré un autre exemple de réalisation d'une chaudière selon l'invention. Les deux.pierres 15 résistant au feu qui forment le fond du foyer et la chambre de combustion reposent sur la plaque de fond 18 thermiquement isolante de la chaudière par un pied de support 31. Les gaz de combustion passent le long des côtés des pierres 15 résistant au feu dans cet exemple de réalisation, mais non au-dessous du fond de la chambre de combustion 2. Cela a pour conséquence un refroidissement légèrement augmenté de la chambre de combustion à cause de la conduction de chaleur à travers le pied de support, mais, en revanche, il n'existe pas de sévères exigences concernant la stabilité à température élevée du matériau à partir duquel les pierres 15 résistant au feu sont moulées. Dans les deux exemples de réalisation montrés, les deux pierres résistant au feu sont de symétrie spéculaire autour du plan central vertical à travers la fente 27, et les gaz de combustion sont soufflés dans la chambre de combustion 2 parallèlement à l'axe central de la chambre de combustion. Il n'est pas nécessaire que cela soit le cas, cependant, dans tous les exemples de réalisation de l'invention. Il pourrait bien etre avantageux de souffler les gaz de combustion de façon décentrée dans la chambre de combustion pour entrainer la création d'un tourbillon dans la chambre de combustion. Un tel soufflage nécessiterait que la chambre de combustion 2 soit placée de façon excentrée sous la fente 27, c'est-à-dire qu'elle soit déplacée ve-rs la droite ou vers la gauche par rapport à la fente, ou que la fente soit agencée de façon excentrée par rapport au fond du foyer. REVENDICATIONS 1 - Chaudière à combustible solide, en particulier pour du bois, comprenant une chambre de combustible ayant une pièce de fond résistant ôu feu qui présente au moins une fente longitudinale s'ouvrant dans une chambre de combustion sous-jacente fermée vers le bas, la pièce de fond ayant des canaux s'ouvrant dans la fente et communiquant avec un ventilateur entrainé par moteur pour souffler de l'air primaire dans la chambre de combustible et pour souffler de l'air secondaire directement dans la fente à travers les canaux dans la pièce de fond, caractérisée en ce que la chambre de combustion sousjacente (2) est formée à partir d'un matériau résistant au feu en ayant une ouverture avant (29) opposée à une porte (13) pour les cendres, et est au moins partiellement entourée par une zone d'après-combustion (16) qui est sensiblement isolée thermiquement du milieu ambiant et présente une direction d'écoulement sensiblement opposée à la direction d'écoulement dans la chambre de combustion (2). 2 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau résistant au feu qui entoure la chambre de combustion (2) est agencé à une certaine distance au-dessus du fond résistant au feu (18) de la chaudière de sorte que la zone d'après-combustion (16) s'étend en particulier au-dessous du fond de la chambre de combustion. 3 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la chambre de combustion (2) comprend un certain nombre de pierres (15) résistant au feu qui sont jointes pour constituer la pièce de fond. 4 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 3, caractérisée en ce que la chambre de combustion (2) est formée dans une pièce de fond réalisée à partir de deux pierres (15) résistant au feu jointes, de symétrie spéculaire, qui sont séparées l'une de l'autre le long d'un plan vertical à travers le milieu de la fente (27). 5 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacune des deux pierres (15) résistant au feu de symétrie spéculaire est réalisée, à partir d'un matériau résistant au feu, en une seule pièce avec un canal plus grand (5) pour l'air secondaire, s'étendant parallèlement à la fente (27) et communiquant avec un certain nombre de canaux plus petits (4) qui sont à angle droit par rapport à celui-ci et s'ouvrent dans la fente (27). 6 - Chaudière à combustible solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le ventilateur (11) souffle de l'air de combustion dans une chambre (10) de distribution d'air placée entre la porte (13) pour les cendres et une porte (12) d'alimentation en combustible, et en ce que l'air secondaire est fourni à partir de la chambre (10) de distribution d'air aux canaux (4,5) dans la pièce de fond à travers au moins un canal (7) dans une pierre (6) résistant au feu montée au dos de la porte (13) pour les cendres. 7 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 6, caractérisée en ce que le passage de la chambre de distribution d'air au canal ou aux canaux (7) à travers la pierre (6) résistant au feu au dos de la porte pour les cendres peut être rétréci par mise en oeuvre de moyens de régulation reliés à une poignée extérieure (26). 8 - Chaudière à combustible solide selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que, sur chaque côté de la porte (12) d'alimentation, il y a un canal d'air (9) pour l'air primaire conduisant de la chambre (10) de distribution d'air à une ouverture au-dessus dans la chambre de combustible. 9 - Chaudière à combustible solide selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le ventilateur (11) est placé sur le dessus de la chaudière et est relié à la chambre (1 ) de distribution d'air par un canal d'air (8) sensiblement vertical sur un des côtés de la chaudière. 10 - Chaudière à combustible solide selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le ventilateur (11) est commandé par un thermostat de chaudière.