Brevet FR2687214A1 — publié le 19930813

La présente invention concerne une chaudière à combustible solide, et plus particulièrement une chaudière à bois, du type dit à tirage inversé, ou à flamme renversée. Les appareils de ce type comportent généralement un magasin à combustible placé à l'intérieur d'une chemise d'eau. La combustion primaire a lieu sur une sole en réfractaire qui constitue le plancher dudit magasin,;ladite sole étant percée d'au moins un passage par où s'échappent , vers le bas, les gaz enflammés et les résidus de la combustion. Les gaz achèvent de brûler dans une chambre de combustion sous-jacente, dont les parois peuvent participer à l'échange de chaleur.Les fumées sont ensuite dirigées vers l'arrière où elles remontent, soit dans une boite à fumée, soit dans un échangeur vertical à faisceau tubulaire, pour etre ensuite évacués. Or, les variations importantes de la température extérieure, pendant la saison de chauffage, rendent nécessaire une modulation de la production de chaleur des chaudières dans une large gamme de puissance, ce qui, dans le cas du chauffage au bois, présente-certaines difficultés. En effet, dans les systèmes d'échangeurs décrits ci-dessus, les gaz de combustion parcourent la totalité des circuits échangeurs quelle que soit la puissance calorifique à fournir. En raison des pertes de charge importantes, de telles chaudières sont généralement munies d'une ventilation mécanique dont le fonctionnement, sous le controle d'un thermostat, est intermittent. Pendant la phase en allure réduite1 correspondant à l'arrêt thermostatique, la combustiogest de moins bonne qualité par suite de la baisse de température se produisant dans les zones de gazéification et de combustion. On a donc intérêt, lorsque les besoins en chauffage sont faibles, en demi-saison par exemple, à diminuer la fréquence et la durée de ces arrêts en abaissant la puissance de pleine allure. Ceci ne peut pas toujours être réalisé sans inconvénients, car, le débit gazeux étant alors diminué, les gaz de combustion restent plus longtemps au contact des échangeurs, cédant davantage de chaleur. Il en résulte un refroidissement excessif des fumées pouvant provoquer des condensations aqueuses dans le conduit de cheminée, et une diminution du pouvoir ascentionnel des fumées. A l'inverse, lorsque la chaudière fonctionne à régime élevé, la vitesse de circulation des gaz chauds est importante, ce qui diminue la durée de l'échange thermique: les fumées stéchappent sans céder toute la chaleur récupérable. La présente invention se propose de réduire les inconvénients que l'on vient d'évoquer, qui apparaissent aux allures de chauffe extrèmes. Le moyen utilisé consiste dans la disposition particulière des échangeurs, en sorte que la surface utile desdits échangeurs varie en fonction du débit des gaz de combustion qui les parcourent. Bes dessins annexés illustrent la description qui va suivre: la fig. 1 représente la chaudière en coupe sagittale; la fig. 2 représente la chaudière en coupe frontale; la fig. 3 représente la chaudière en coupe horizontale. La chaudière selon l'invention comporte une chemise d'eau (1), reliée au circuit de chauffage, entourant trois volumes superposés qui sont:run magasin à combustible (2), une chambre de combustion (3), sous-jacente, et un échangeur horizontal (4), placé au-dessus dudit magasin (2), ladite chemise d'eau (1) comportant cinq parois qui forment: le dessus, le dessous, les deux parois latérales de la chaudière, et la majeure partie du plancher dudtt échangeur (4). La chambre de combustion (3) est séparée dudit magasin (2) par une sole (5) en réfractaire sur laquelle a lieu la combustion primaire, ladite sole (5) étant percée d'un passage (6) de communication médian, de forme allongée d'avant en arrière, pouvant être muni d'un barreau formant grille. Ledit passage (6) est prolongé en dessous, par deux parois réfractaires (7) verticales, parallèles au plan médian, et appendues à la paroi supérieure de ladite chambre (3), formant un couloir de combustion (8).Vers le bas, lesdites parois réfractaires (7) se rapprochent l'une de l'autre en s'incurvant sans se rejoindre, pour former une fente d'éjection (9). Etant ouvert à ses deux extrémités avant et arrière,ainsi que vers le bas, ledit couloir de combustion (8) comporte donc deux directions d'éjection, horizontale et verticale, particularité dont le rôle sera expliqué par la suite. la face avant de la chaudière est constituée de trois ouvertures superposées qui sont: à la partie supérieure le tampon de visite (10) qui permet d'accéder à l'échangeur (4) et aux cheminées internes (14); au-dessous,la porte de chargement (11), qui donne accès au magasin (2), et à l'étage inférieur, la porte de décendrage (12) qui donne accès à la chambre de combustion (3). le plancher de ladite chambre (3) est recouvert d'une couche de béton réfractaire (13), servant de bouclier thermique. Ladite chambre (3) est reliée à l'échangeur (4) par deux cheminées internes (14), placées symétriquement à l'intérieur dudit magasin (2) de part et d'autre de la porte de chargement (11), en arrière des montants de celle-ci. Chacune desdites cheminées (14), de section rectangulaire, comporte trois parois sèches formant un U, la quatrième paroi étant la paroi interne du magasin (2) sur laquelle elle est plaquée au moyen deswliaisons déformables (15) qui sont, ici, réalisées à l'aide de tiges métalliques coudées formant un angle obtus, proche de l'angle droit, dont une extrémité est soudée à ladite cheminée (14) , l'autre extrémité étant soudée à la paroi dudit magasin (2), tel que représenté fig. 3.Ces liaisons (15) solidarisent des éléments qui seront portés à des températures différentes en absorbant les contraintes de dilatation par leur déformation élastique. Tout autre moyen de fixation pourrait être employé pourvu qu'il maintienne lesdites cheminées (14) tout en permettant leur allongement, que ce soit par déformation élastique ou par coulissement. La face arrière de la chaudière , au niveau du magasin (2) et de la chambre de combustion (3), est constituée d'un caisson (16), double paroi sèche, qui assure le chauffage et la répartition de l'air comburant. La paroi extérieure dudit caisson (16) comporte un boîtier (17) pouvant contenir un ventilateur, non représenté, ledit boitier étant coiffé par un volet d'admission (18) comportant à sa partie inférieure une tige horizontale (19) reliée par une chalnette à un régulateur de tirage, non représenté. Le boîtier (17) communique à pleine section avec le volume interne dudit caisson (16), dont la paroi intérieure comporte des orifices de communication avec le magasin (2) et avec les conduits injecteurs (25) de la sole (5). A l'étage supérieur correspondant à l'échangeur horizontal (4), la paroi postérieure, en simple épaisseur, est percée d'un orifice circulaire d'évacuation (20) prolongé par une buse de raccordement (21), tandis que le plancher dudit échangeur (4) est prolongé dans sa partie antérieure par le volet (22) de tirage direct qui occupe sensiblement ,en position fermée, la portion dudit plancher correspondant aux cheminées internes (14). ledit volet (22) peut être actionné au moyen de la manette (23) située à l'avant de la chaudière. l'ensemble de la chaudière est entouré d'une jaquette isolante (24). le fonctionnement de l'appareil va maintenant être expliqué: la chaudière étant allumée, la masse du combustible est introduite dans le magasin(2), par exemple sous forme de bûches placées horizontalement. la combustion primaire a lieu avec l'air distribué par le caisson (16). les gaz produits sont projetés vers le bas à travers le passage (6) de la sole (5) où ils brûlent grâce à l'air secondaire introduit par les conduits injecteurs (25) situés de part et d'autre dudit passage (6). La flamme est contenue à l'intérieur du couloir de combustion (8) pendant son parcours entre les parois réfractaires (7), sa direction générale d'éjection dépendant de l'allure de chauffe: à pleine puissance, les flammes sont propulsées énergiquement à travers le passage (6) et sont projetées vers le bas dans le couloir (8), s'échappant verticalement par la fente d'éjection (9) et horizontalement par les extrémités avant et arrière dudit couloir (8), envahissant la chambre de combustion (3) qui joue alors le rôle d'échangeur thermique. A l'inverse, à puissance réduite, la production de gaz est peu importante, et la flamme franchit le passage (6) à vitesse réduite, en sorte que, à l'intérieur du couloir (8), les flammes sont déviées vers l'avant par l'aspiration relative des-cheminées internes (14) et sortent par l'extrémité antérieure dudit couloir (8), poursuivant un parcours horizontal limité à la partie supérieure de la chambre de combustion (3). les gaz chauds, dans ce cas, n'entrent en contact avec aucune des parois humides. de ladite chambre (3), et gagnent, en se partageant, l'une ou l'autre des cheminées (14). Les surfaces d'échange de l'étage inférieur de la chaudière sont alors mises à l'écart du circuit gazeux. Dans tous les cas, la chambre de combustion (3), recevant les imbrûlés, sert de cendrier. A l'intérieur des cheminées (14), lorsque la chaudière fonctionne à allure réduite, les fumées remontent à proximité de la paroi sèche située à l'intérieur de leur changement de direction, empruntant le plus court chemin, conformément aux lois de l'aéraulique; elles ont conservé une grande partie de leur chaleur lorsqu'elles atteignent l'échangeur horizontal (4). Pour une allure de marche à puissance élevée, le mode de déplacement est plus rapide et plus turbulent, et les fumées occupent tout le volume intérieur desdites cheminées (14), échauffant la paroi humide dont chacune est en partie constituée. Avantageusement, en raison de leur température élevée, lesdites cheminées (14) sont peu sensibles à l'encrassement. A l'intérieur de l'échangeur horizontal (4), en allure réduite, les fumées se déplacent d'avant en arrière en adoptant un régime peu turbulent, restant à proximité de la paroi supérieure en raison de leur faible densité relative; elles s'échappent ensuite par l'orifice d'évacuation (20). A l'inverse, lors du fonctionnement à pleine puissance, les fumées balayent la totalité du volume dudit échangeur (4) en raison de leur débit élevé et des turbulences engendrées par l'accroissement de leur vitesse, ce qui favorise les échanges de chaleur. Enfin, aux allures intermédiaires, le fonctionnement se caractérise par une mise en service partielle des parois humides de la chambre de combustion (3) et par un remplissage partiel des échangeurs, ce qui constitue une certaine adaptation de la surface d'échange à la puissance calorifique produite. Avantageusement, cette adaptation a lieu sans intervention humaine ou mécanique. REVENDIOA2IONS 1) Chaudière à combustible solide, notamment chaudière à bois, qui comporte une chemise d'eau (1) entourant en partie un magasin à combustible (2), une chambre de combustion (3) sous-jacente, et un échangeur horizontal (4) placé au-dessus dudit magasin (2), ladite chemise d'eau (1) comprenant cinq parois qui forment: le dessus, le dessous, les deux parois latérales de ladite chaudière, et la majeure partie du plancher dudit échangeur (4), ladite chambre (3) étant séparée dudit magasin (2) par une sole (5) en réfractaire percée d'un passage médian de communication (6) , lequel est prolongé, en dessous, par deux parois réfractaires (7) verticales, parallèles au plan médian, formant un couloir de combustion (8), la paroi arrière de ladite chaudière, située à 11 opposé de la porte de chargement (11), étant en grande partie constituée par un caisson (16) de répartition d'air, à parois sèche, cette chaudière étant caractérisée en ce que ladite chambre (3) communique avec ledit échangeur (4) par deux cheminées internes (14) à parois sèches, situées à l'intérieur dudit magasin (2), de part et d'autre de la porte de chargement (11). 2) Chaudière selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdites parois réfractaires (7) se rapprochent l'une de l'autre, vers le bas, en s'incurvant sans se rejoindre, délimitant des orifices ouverts dans deux directions, l'une verticale, vers le bas, l'autre horizontale, vers l'avant et l'arrière. 3) Chaudière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacune desdites cheminées internes (14) est maintenue contre la paroi correspondante dudit magasin (2) par des liaisons déformables (15) formées de tiges métalliques coudées à angle obtus, dont une extrémité est soudée à ladite paroi dudit magasin (2), l'autre étant soudée à ladite cheminée (14). 4) Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que lesdites cheminées internes (14) sont fixées aux parois latérales dudit magasin (2) par tout moyen de fixation permettant l'allongement thermique desdites cheminées (14),que ce soit par déformation élastique ou par coulissement.