Brevet FR2745072A1 — publié le 19970822

L'invention est du domaine des techniques de chauffage, et elle a pour objet une chaudière à alimentation continue en combustible solide parcellisé. On connaît des dispositifs de combustion comprenant une enceinte de combustion fermée alimentée en continu en combustible solide parcellisé, déchets de bois notamment. Les fumées dégagées par la combustion sont évacuées hors de l'enceinte par un conduit, et la chaleur qu'elles dégagent en est prélevée, au moyen d'un échangeur à eau par exemple. Ces dispositifs répondent au double objectif d'éliminer les déchets par combustion, et de saisir l'opportunité de la chaleur produite pour chauffer des locaux. I1 résulte de cette démarche que les concepteurs n'ont pas optimisé la combustion et l'échange des dispositifs connus du genre, au détriment de leur rendement. Par ailleurs, ltévolution de la réglementation nécessite un contrôle et une maîtrise des fumées rejetées, tant au niveau de leur teitipérature qu au niveau de leur pollution. Pour répondre a -es contraintes, les concepteurs ont été conduits à aménager l'enceinte de combustion pour y introduire de l'air extérieur, non seulement pour attiser la combustion oar une insufflation d'air, dit primaire, mais aussi par un apport d'air supplémentaire, dit seconàai=2, pour le contrôle de la composition des fumées.De tels aménagements sont d'autant plus délicats à mettre en oeuvre que l'alimentation en combustible s'effectue par des moyens d'amenée surplombant l'enceinte de combustion, tels qu'une vis sans fin reliée à un silo, ce qui induit un risque potentiel d'incendie de la réserve de combustible. Ces aménagements, complexes et coûteux, constituent un frein au développement des dispositifs du genre. Ainsi, les démarches antérieures de conception des dispositifs de combustion à alimentation continue en combustible solide parcellisé, et les aménagements nécessaires pour leur mise en conformité, induisent un coût de fabrication pour un rendement faible tels, que d'une part ils ne sont pas compétitifs par rapport aux dispositifs de chauffage alimentés à partir d'une autre source d'énergie, tel que le mazout, et d'autre part qu'ils apparaissent comme désuets au regard de l'évolution des techniques. Le but de l'invention est de proposer une chaudière à alimentation continue en combustible solide parcellisé, qui offre un rendement élevé et un contrôle fiable de la combustion et de la composition des fumées, dont le fonctionnement s'effectue naturellement en toute sécurité, et qui soit d'une structure simple, et de ce fait d'un coût de revient compétitif, tant vis à vis des dispositifs du genre que de ceux utilisant un combustible d'une autre nature. Selon l'Invention, une chaudière à alimentation continue en combustible solide parcellisé, est caractérisée dans sa généralité en ce qu elle est principalement composée de deux étages superposés, dont un inférieur, dans lequel est 1,7calisée une chambre de combustion tubulaire à extension verticale dans laquelle débouchent des moyens d'approvisionnement en combustible, et dont un autre supérieur, dans lequel sont localisés un échangeur et un conduit d'avacuat on des fumées, , les deux étages communiquant par l'intermédiaIre dune 3use pour l'échappée des flammes hors de la chambre de combustion vers l'échangeur, sous l'effet de moyens de circulation d'air, dit primaire, depuis la base de la chambre de combustion et axialement à travers son espace intérieur, vers le conduit d'évacuation des fumées. L'organisation susvisée de la chaudière a pour résultat d'offrir un rendement élevé, en raison de l'optimisation de la combustion et du prélèvement de la chaleur produite, optimisation obtenue grâce aux moyens de ventilation ascendante depuis la base de la chambre de combustion jusqu'au conduit d'évacuation des fumées, après leur passage dans l'échangeur, moyens de ventilation ascendante comprenant notamment l'organisation de la chaudière en deux étages superposés communiquant par une buse d'échappée des flammes issues de la combustion, et la configuration tubulaire de la chambre de combustion qui est disposée verticalement. Selon un autre aspect de l'invention, les moyens de circulation d'air sont des moyens de mise en dépression des étages supérieur et inférieur depuis l'aval de 1 'étage supérieur. I1 résulte du choix de moyens du type "à dépression" plutôt que de moyens du type "à pulsion", que l'air circulant entre les étages ne peut pas, de façon naturelle, suivre un parcours autre que celui qui lui est imposé depuis la base de la chambre de combustion jusqu'au conduit d'évacuation des fumées, et finalement que la chaudière offre une sécurité fiable d'utilisation, la combustion ne pouvant naturellement pas s'étendre à l'extérieur de l'enceinte formée par la chaudière, dans les moyens d'approvisionnement en combustible notamment. a chambre de combustion est de préférence disposée dans une chambrez 'admission d'air primaire, sa base débouchant dans cette dernière, à l'intérieur de laquelle chambre d'admission est introduit de manière contrôlée l'air primaire depuis 1' extérieur de la chaudière, préalablement à son introduction dans la chambre de combustion. De telies dispositions, en cours de fonctionnement de la chaudière, constituent des moyens de préchauffage au contact de la paroi extérieure de la chambre de combustion, de l'air primaire introduit dans la chambre d'admission préalablement à son introduction dans la chambre de combustion. Selon une forme préférée de réalisation, la chaudière est équipée de moyens d'autorégulation de son fonctionnement, les dits moyens comprenant a) des moyens de sélection par l'utilisateur d'au moins une température de consigne à la sortie de l'échangeur, et des moyens thermostatiques pour commander la mise en marche et l'arrêt des moyens de mise en dépression, respectivement en dessous et au-dessus du seuil de la, ou des, dites températures de consigne, et b) un vacuostat pour mesurer la dépression à l'intérieur de la chambre d'admission d'air, et pour commander la mise en marche et l'arrêt des moyens d'approvisionnement en combustible de la chambre de combustion, respectivement audessus et au-dessous d'un seuil déterminé de la dite dépression, seuil déterminé et pré-réglé en fonction des pertes de charges maximales tolérées résultant de la résistance offerte par le combustible présent dans la chambre de combustion à l'encontre de l'introduction de l'air primaire dans cette dernière, et donc déterminé et pré-réglé en fonction de la quantité maximale de combustible tolérée dans la chambre de combustion. Ces dispositions permettent une autorégulation de la chaudière : la température de l'eau dans l'échangeur n'atteignant pas la température de consigne (ou la température la plus élevée dans le cas où les moyens de sélection permettent de déterminer une plage de températures de consigne) et les moyens de mise en dépression étant de ce fait mis en oeuvre, l'approvisionnement en combustible de la chambre de combustion perdure tant que la dépression n'a pas chuté en dessous du seuil déterminé, en raison de l'insuffisance de combustible présent dans ia chambre de combustion, et/ou en raison d'une température toujours insuffisante de l'eau, et de ce fait du maintien en fonctionnement des moyens de mise en dépression. De préférence, les moyens d'approvisionnement en combustible sont en outre placés sous la dépendance de moyens de temporisation, pour compenser par des cycles courts successifs marche-arrêt les temps de réaction de la chaudière aux brusques variations de combustion et de pression (dépression) à l'intérieur de la chambre de combustion, résultant d'un apport en combustible dans cette dernière. Selon des aménagements particuliers de la chaudière de l'invention, celle-ci comprend en outre des moyens d'admission d'air, dit secondaire, à l'intérieur de la chambre de combustion à travers au moins un orifice radial ménagé à son sommet et débouchant à la base de la buse, et des moyens de réglage de la quantité d'air secondaire admise pour le réglage de la composition des fumées, et de ce fait, des taux de pollution des fumées évacuées hors de la chaudière. Selon un autre aspect de l'invention relevant de la maintenance de la chaudière, la buse débouche dans l'étage supérieur dans un pot de combustion qui constitue un moyen pour provoquer une retombée des cendres et des particules solides non consumées dans la buse et interdire une dispersion dans l'étage supérieur des cendres et des particules non brûlées, afin notamment de limiter l'encrassement de l'étage supérieur. De plus l'étage supérieur est avantageusement pourvu à son sommet dune porte a accès à l'échangeur, puis à la chambre de combustion à travers la buse, pour faciliter la maintenance de la chaudière et notamment le nettoyage de l'échangeur. L'échangeur est par exemple globalement formé d'un cylindre à double-paroi disposé autour du pot de combustion, entre lesquelles parois stétendent axialement à l'échangeur une pluralité de tubes pour la circulation des fumées, le cylindre étant pourvu à son sommet d'un couvercle en matière réfractaire surplombant le pot de combustion pour renvoyer vers la buse les flammes qui s'en s'échappent, les condres et les particules non brûlées. Les tubes sont avantageusement pourvus intérieurement de noyaux hélicoïdaux destinés à forcer le passage des fumées le long de la paroi des tubes, et de ce fait à favoriser l'échange de chaleur. Selon une forme préférée de réalisation, dans laquelle les dits moyens d'approvisionnement en combustible sont du type "à vis sans fin", la dite vis traverse la paroi de la chambre de combustion pour déboucher, à l'une de ses extrémités, au voisinage du sommet de cette dernière, l'autre extrémité étant destinée à communiquer avec le débouché d'un silo contenant une réserve de combustible solide parcellisé. Le débouché du silo est de préférence obturé par des moyens de division supplémentaire du combustible parcellisé qu'il contient, de telle sorte que ne soient admis dans la vis d'approvisionnement que des matériaux dont les dimensions ne dépassent pas un seuil déterminé. Les dits moyens de division du combustible sont par exemple constitués par une platine d'obturation du débouché du silo pourvue d'une lumière de passage des matériaux, et par un disque entraîné en rotation superposé à la platine et lui-même pourvu d'une lumière de passage des matériaux, de telle sorte que des matériaux trop longs soient cisaillés entre le disque rotatif et la platine lors de leur chute hors du silo. De préférence, le silo est pourvu d'un bras centrifuge de brassage du combustible qu'il contient et d'amenée du combustible depuis les parois du silo vers son débouché. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, à la description qui va en être faite d'une forme préférée de réalisation, en relation avec les figures de la planche annexée, dans laquelle la fig.1 est une illustration en coupe d'une forme préférée de réalisation d'une chaudière de l'invention, les fig.2 et 3 sont des représentations schématiques en perspective, respectivement en vue éclatée et assemblée, des organes équipant le débouché d'un silo pour l'approvisionnement en combustible d'une chaudière de l'invention. Sur la fig.1, une chaudière est alimentée en combustible solide parcellisé au moyen d'une vis sans fin 2 reliée à un silo 4. La chaudière est globalement constituée d'un étage supérieur 6 dans lequel est disposé un échangeur à eau 8, et d'un étage inférieur 10 dans lequel est disposée une chambre de combustion tubulaire verticale 12 à l'intérieur de laquelle débouche la vis sans fin 2. Les deux étages 6 et 10 communiquent l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'une buse 14 à travers laquelle s'échappent les flammes hors de la chambre de combustion 12 vers l'échangeur 8. La combustion est entretenue grâce à un courant ascendant d'air primaire prélevé à l'extérieur de la chaudière, qui circule dans un premier temps dans une chambre d'admission d'air primaire 16 entourant la chambre de combustion 12, puis axialement à travers cette dernière 12 depuis sa base vers la buse 1d, et dans un deuxième temps, sous forme de fumées, à travers les tubes 18 de chauffage de l'échangeur 8 vers un conduit 20 d'évacuation des fumées hors de la chaudière, La circulation dair primaire est obtenue grâce à des moyens 22, tels que turbine, générateurs d'une dépression à l'intérieur des étages supérieur 6 et inférieur 10, les dits moyens 22 étant situés en aval de l'étage supérieur 6 pour créer un appel d'air à travers la buse 14, à travers la chambre de combustion 12 depuis sa base, et à travers la chambre j'admission d'air primaire 16 depuis l'extérieur de la chaudière. La chaudière est autorégulée grâce à des moyens de contrôle et de commande de son fonctionnement l'utilisateur dispose de moyens 72 de sélection d'une température de consigne de l'eau dans l'échangeur 8 mesurée par des moyens thermostatiques 70. Dans le cas où la température de l'eau est inférieure à la température de consigne, les moyens thermostatiques 70 commandent la mise en marche de la turbine 22. Un vacuostat 24 commande, en fonction de la dépression régnant dans la chambre 16 d'admission d'air primaire, la mise en oeuvre des moyens 2 d'approvisionnement en combustible de la chambre de combustion 12, dans le cas où la dite dépression est supérieure à un seuil déterminé et pré-réglé. Lorsque la dépression atteint le dit seuil, le vacuostat 24 commande l'arrêt des moyens 2 d'approvisionnement en combustible. Lorsque la température de l'eau dans l'échangeur 8 est atteinte et/ou est supérieure à la température de consigne, les moyens 70 thermostatiques commandent l'arrêt des moyens 22 de mise en dépression. L'arrêt de l'admission d'air primaire, et donc l'absence de dépression la chambre 16 mesurée par le vacuostat 24, induit la commande par ce dernier 24 de l'arrêt des moyens 2 d'approvisionnement. La buse 14 débouche dans un pot de combustion 28 et est surplombée par un couvercle 30 en matière réfractaire reposant sur l'échangeur 8, pour provoquer une retombée des cendres et des particules solides non consumées dans la buse 14. De i'air secondaire, destiné à parfaire la combustion, est introduit sous l'effet des moyens 22 générateurs de dépression, depuis l'extérieur de la chaudière à travers une chambre fermée 32 entourant le sommet de la chambre de combustion 12, puis à travers des orifices radiaux 34 ménagés dans cette dernière 12. On remarquera que les quantités d'air admises à l'intérieur de la chaudière, tant air secondaire qu'air primaire, sont ajustables au moyen de vannes de réglage 36 et 38 respectives, mais qu'en cours de fonctionnement de la chaudière, autorégulée à la manière qui vient d'être décrite, l'utilisateur n'a comme seule opération à accomplir que la sélection de la température de consigne. Selon une disposition avantageuse, l'ouverture de la vanne 38 d'admission d'air primaire à l'intérieur de la chambre d'admission 16 est placée sous la dépendance d'un électro-aimant 74, dont la mise en oeuvre est commandée par les dits moyens thermostatiques 70 simmultanément à celle des moyens 22 générateurs de dépression. Sur l'exemple illustré sur la fig.1, la vanne 38 est conformée en sas d'admission d'air primaire, dont l'une des ouvertures est obturée par un premier volet 76, pour le pré-réglage de la quantité maximale d'air admissible à l'intérieur de la chaudière, et dont l'autre ouverture est obturée par un deuxième volet 78 manoeuvrable par le dit électro-aimant 74. Ce dernier 74 constitue un moyen de maintien ferme du deuxième volet 78 en position d'ouverture, afin d'éviter des variations de débit d'air admis qui résulteraient d'une instabilité et d'oscillations du volet 78 en position d'ouverture sous l'effet de turbulences, ce qui porterait atteinte à la maîtrise de la composition des fumées évacuées hors de la chaudière. En position de fermeture du deuxième volet 78, une quantité déterminée d'air primaire est néanmoins admise à l'intérieur de la chambre d'admission 16 en provenance du sas, de telle sorte que la vanne 38 offre deux débits possibles d'admission d'air, 1 un maximal iorsque les moyens de dépression 22 et l'électro-aimant 74 sont actifs, l'autre minimal lorsque les moyens de dépression 22 sont à l'arrêt et le deuxième volet 78 en position de fermeture, débit minimal juste suffisant pour le maintien de la combustion. Dans la présente disposition, la prise du vacuostat 24 est disposée à l'intérieur du sas 38, afin d'obtenir un arrêt certain des moyens 2 d'approvisionnement en combustible en cas de panne de l'electro-aimant 74, et donc en cas da la fermeture inoportune du deuxième volet 78 sous l'effet de son propre poids, alors que les moyens de mise en dépression 22 sont actifs. On remarquera aussi la présence d'une porte d'accès 40 à l'échangeur 8 et à la chambre de combustion 12, après retrait du couvercle 30, articulée au sommet de l'étage supérieur 6. Selon une forme simple et préférée de réalisation, les étages 6 et 10 comportent une enceinte respective formée chacune par un caisson 42 et 44, les caissons 42 et 44 étant assemblés l'un à l'autre, par boulonnage 46 notamment. La chambre de combustion 12 est constituée d'une tôle roulée 48 à l'intérieur de laquelle est moulé un revêtement réfractaire 50, la dite tôle 48 étant ensuite soudée à la paroi supérieure du caisson 44 de l'étage inférieur 10, de manière à être supportée par ce dernier en suspension et de ce fait, à dégager l'ouverture de la base de la chambre de combustion 12 pour autoriser le passage de l'air primaire.De manière équivalente mais néanmoins non préférée, la chambre de combustion 12 pourrait reposer sur le fond du caisson inférieur 44 par l'intermédiaire d'un piétement ménageant à la base de la chambre de combustion 12 un dégagement suffisant pour la circulation de l'air primaire. On remarquera aussi la présence avantageuse de noyaux hélicoïdaux à l'intérieur des tubes 18 de passage des fumées de l'échangeur 8. On notera par ailleurs la présence d'une porte 54 ménagée à la base de l'étage inférieur 10 pour l'accès à la base de la chambre de combustion 12, en vue de l'allumage de la chaudière et de l'évacuation des cendres, un cendrier, non représenté sur les figures, étant de préférence disposé sous la chambre de combustion 12. Sur les fig.l, 2 et 3, le débouché du silo est obturé par une platine 56 pourvue d'une lumière 58 pour le passage des matériaux, et par un disque 60 superposé à la platine 56 et relié à des moyens 64 d'entraînement en rotation, disque 60 lui-même pourvu d'une 62 même lumière 58, de manière à ce que les matériaux ne puissent être admis dans la vis sans fin 2 qu'à la condition que leur parcellisation soit suffisante. Un bras centrifuge 66 relié à des moyens 64 d'entraînement en rotation est prévu pour conduire les matériaux contenus dans le silo 4 vers son débouché. Ce bras 66, crénelé et entraîné en rotation sur lui-même, roule sur une couronne dentée 68 équipant le silo 4 autour de l'axe de ce dernier. On remarquera que de manière avantageuse les moyens 64 d'entraînement en rotation du disque 60 et du bras 66 sont confondus. Bien que l'on ait décrit et représenté une forme préférée de l'invention, il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée à cette forme, mais qu'elle s'étend à toute chaudière comportant les caractéristiques énoncées plus haut. REVRIDICATIOlS 1.- Chaudière à alimentation continue en combustible solide parcellisé, caractérisée en ce qu'elle est principalement composée de deux étages (6,10) superposés, dont un inférieur (10), dans lequel est localisée une chambre de combustion tubulaire à extension verticale (12) dans laquelle débouchent des moyens d'approvisionnement (2,26) en combustible, et dont un autre, supérieur (6), dans lequel sont localisés un échangeur (8) et un conduit (20) d'évacuation des fumées, les deux étages (6,10) communiquant par l'intermédiaire d'une buse (14) pour l'échappée des flammes hors de la chambre de combustion (12) vers l'échangeur (8), sous l'effet de moyens (22) de circulation d'air, dit primaire, depuis la base de la chambre de combustion (12) et axialement à travers son espace intérieur, vers le conduit (20) d'évacuation des fumées 2.- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (22) de circulation d'air sont des moyens de mise en dépression des étages supérieur (6) et inférieur (10) depuis l'aval de l'étage supérieur (6) 3.- Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre de combustion (12) est disposée dans une chambre (16) d'admission d'air primaire, sa base débouchant dans cette dernière, à l'intérieur de laquelle chambre d'admission (16) est introduit de manière controlée (38) l'air primaire préalablement à son introduction dans la chambre de combustion (12) 4.- Chaudière selon la revendication 3, caractérisée :: en ce qu'elle est équipée de moyens d'autorégulation de son fonctionnement, les dits moyens comprenant a) des moyens (72) de sélection par l'utilisateur d'au moins une température de consigne de l'eau à la sortie de l'échangeur (8), et des moyens thermostatiques (70) pour commander la mise en marche et l'arrêt des moyens (22) de mise en dépression, respectivement en dessous et au dessus du seuil de la dite température de consigne au moins, et b) un vacuostat (24) pour mesurer la dépression régnant dans la chambre (16) d'admission d'air primaire, et pour commander la mise en marche et l'arrêt des moyens (2) d'approvisionnement en combustible de la chambre de combustion (12), respectivement au dessus et au dessous d'un seuil déterminé du débit d'admission d'air primaire; 5.- Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens (2) d'approvisionnement en combustible sont en outre placés sous la dépendance de moyens de temporisation 6.- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (22,32) d'admission d'air, dit secondaire, à l'intérieur de la chambre de combustion (12) à travers au moins un orifice radial (34) ménagé à son sommet, et des moyens de réglage (36) de la quantité d'air secondaire admise 7.- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce la buse (14) débouche dans l'étage supérieur dans un pot de combustion (28) qui constitue un moyen pour provoquer une retombée des cendres et des particules solides non consumées dans la buse (14) et interdire une dispersion dans l'étage supérieur des cendres et des particules non brûlées ; 8.- Chaudière selon la revendication 7, caractérisée : en ce que l'échangeur (8) est globalement formé d'un cylindre à double-paroi disposé autour du pot de combustion (28), entre lesquelles parois s'étendent axialement à l'échangeur (8) une pluralité de tubes (18) pour la circulation des fumées, le cylindre étant pourvu à son sommet d'un couvercle (30) en matière réfractaire surplombant le pot de combustion (28) pour renvoyer vers la buse (14) les flammes qui s'en échappent, les cendres et les particules non brûlées ; 9.- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étage supérieur (6) est pourvu à son sommet d'une porte d'accès (40) à l'échangeur (8) et à la chambre de combustion (12) à travers la buse (14) 10.- Chaudière selon la revendication 1, les dits moyens d'approvisionnement en combustible étant du type "à vis sans fin", caractérisée en ce que la dite vis (2) traverse la paroi de la chambre de combustion (12) pour déboucher, à l'une de ses extrémités, au voisinage du sommet de cette dernière (12), l'autre extrémité étant destinée à communiquer avec le débouché d'un silo (4) contenant une réserve de combustible solide parcellisé 11.- Chaudière selon la revendicatIon 10, caractérisée en ce que le débouché du silo (4) est obturé par des moyens (56,58,60,62,64) de division supplémentaire du combustible parcellisé qu'il contient de telle sorte que ne soit admis dans la vis d'approvisionnement (2) que des matériaux dont les dimensions ne dépassent pas un seuil déterminé 12.- Chaudière selon la revendication 11, caractérisée en ce que les dits moyens de division du combustible sont constitués par une platine (56) d'obturation du débouché du silo (4) pourvue d'une lumière (58) de passage des matériaux, et par un disque (60) entraîné (64) en rotation superposé à la platine (56) et lui-même pourvu d'une lumière (62) de passage des matériaux, de telle sorte que des matériaux trop longs soient cisaillés entre le disque rotatif (60) et la platine (56) lors de leur chute hors du silo 13.- Chaudière selon la revendication 11, caractérisée en ce que le silo (4) est pourvu d'un bras centrifuge (66) de brassage du combustible qu'il contient et d'amenée du combustible depuis les parois du silo (4) vers son débouché.