Brevet FR2805308A1 — publié le 20010824

présente invention concerne un groupe électro gène avec récupération de chaleur comprenant - un moteur thermique, - un générateur d'électricité entraîné par le moteur thermi que, - un échangeur de chaleur recevant les gaz chauds du moteur thermique pour fournir de l'eau chaude de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire à un circuit utilisateur. On connaît les groupes électrogènes avec récupé ration de chaleur encore appelés générateurs de production simultanée de chaleur et de force (électricité). Ces groupes sont composés d'un moteur thermique qui entraîne un générateur électrique (alternateur) fournis sant de l'électricité, la chaleur de combustion dégagée par le moteur étant utilisée comme moyen de chauffage. Cette cha leur dégagée par le moteur est contenue dans les fumées et dans le liquide servant au refroidissement du moteur. Suivant le cas, on récupère seulement l'énergie des fumées dans un échangeur ou encore l'énergie des fumées et celle de l'eau de refroidissement du moteur. L'énergie thermique ainsi récupérée est utilisée à la production d'eau chaude en particulier d'eau chaude de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire. Les installations connues présentent un certain nombre d'inconvénients qui en limitent la diffusion. Ainsi, outre le coût relativement im portant d'une telle installation ou d'un tel groupe, il faut créer un conduit de cheminée supplémentaire pour l'évacuation des produits de combustion et le raccordement à un circuit d'eau pour le refroidissement du moteur. Un tel groupe émet directement en sortie de moteur des produits polluants qui nécessitent un traitement par un pot catalytique avant leur rejet à l'atmosphère. Enfin, il y a un risque d'explosion lié aux ratées d'allumage que peut présenter le moteur. En effet, dans un tel cas le mélange combustible/air comburant imbrûlé, arrive dans les conduites d'échappement et ce mélange déton nant risque d'y exploser par une explosion plus ou moins vio lente suivant le volume des imbrûlés. Pour éviter cet inconvénient, les installations actuelles comportent des systèmes électroniques détection de combustion de chaque cylindre du moteur. De tels systèmes sont onereux et du fait de leur complexité, ils peuvent être eux-mêmes une source de panne. L'autre solution consiste à concevoir un échan geur, faible volume, renforcé mécaniquement pour pouvoir résister à de petites explosions de passage des . Mais ce la donne un échangeur très coûteux et ne permet pas d'améliorer les performances de l'échange. La présente invention a pour but remédier à ces inconvénients et se proposer de développer un groupe électrogène permettant un fonctionnement efficace, évitant les risques d'explosion avec des moyens simples garantis. A cet effet, l'invention concerne un groupe élec trogène type défini ci-dessus caractérisé en qu'il com prend - une chaudière ayant un foyer avec un brûleur pour alimenter un échangeur de chaleur relié au circuit utilisateur, - une conduite de fumées débouchant dans le foyer, reliée à l'échappement du moteur thermique pour recevoir ses gaz d'échappement et les introduire dans le foyer, - un circuit de commande et de sécurité commandant le fonc tionnement du foyer et du moteur, - une sonde de flamme détectant la présence d' flamme à la sortie du brûleur du foyer pour fournir un signal au cir cuit commande. L'installation en série du moteur à combustion interne et d'un foyer de chaudière permet de traiter effica cement imbrûlés du moteur, qu'il s'agisse d'imbrûlés per manents ou d'imbrûlés accidentels dans le foyer de la chaudière pour ne rejeter que des gaz parfaitement brûlés, en réduisant au minimum l'émission de gaz ou plus généralement de produits polluants. Cela évite également le risque d'explosion puisque les gaz combustibles sont brûlés au fur et à mesure dans la chaudière. Tout risque d'explosion est également évité car le circuit de commande de l'installation surveille la combus- tion dans le foyer et en cas de disparition de la flamme, l'installation est immédiatement arrêtée en coupant l'installation par le circuit de commande. Si fourniture électricité est indispensable, les gaz d'échappement peu vent être évacués directement par la conduite de dérivation. Le passage des fumées chaudes à travers un seul echangeur simplifie la réalisation de l'installation et son entretien et notamment son nettoyage. Suivant une autre caractéristique, conduite de fumées reliant la sortie du moteur thermique au foyer com porte une dérivation de secours débouchant dans une cheminée pour permettre l'évacuation d'une quantité exceptionnelle de La conduite de fumées débouche dans le foyer à la base du brûleur. Elle peut également déboucher à l'entrée du ventilateur alimentant le brûleur. Un échangeur de chaleur peut également être prévu pour récupérer la chaleur du liquide de refroidissement du moteur. Cet échangeur peut être le même que l'échangeur de chaleur en sortie de foyer. Enfin, le circuit utilisateur peut passer directement dans l'échangeur en sortie de foyer et/ou l'échangeur en sortie de moteur. Ce fluide peut égale ment traverser un échangeur d'isolement pour éviter que le fluide du circuit utilisateur ne passe directement dans l'echangeur associé au foyer et/ou celui associé au circuit de refroidissement du moteur. De manière générale, le groupe électrogène selon l'invention constitue un ensemble non seulement efficace pour la dépollution des gaz d'échappement et la récupération d'énergie mais également un ensemble compact, réduisant au minimum les différentes liaisons de fluide entre les compo sants et par suite également les déperditions thermiques. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les quels - l'unique figure est un schéma d'ensemble d'un groupe élec trogène à récupération de chaleur selon l'invention. Selon la figure, l'installation se compose d'un moteur thermique M entraînant une génératrice G qui est de préférence un alternateur monophasé ou triphasé. Le moteur thermique M est commandé par un circuit de commande CC qui le met en route en fonction d'un programme ou d'une demande d'énergie électrique. Le groupe électrogène comprend un foyer F équipé d'un brûleur BR, par exemple d'un brûleur à gaz ou au mazout avec un ventilateur V ; la flamme est surveillée par une sonde Sl qui fournit un signal de surveillance Sgl au circuit de commande CC. Le foyer F et l'échangeur ECH1 peuvent être les deux composants d'une chaudière CH représentée par la partie entourée d'un trait interrompu. L'installation comporte également une ou plu sieurs sondes de température S2 qui détectent soit la tempé rature ambiante soit la température d'un local fournissent un signal de commande Sg2 au circuit de commande CC. Le circuit de commande CC gère le fonctionnement de installation selon un programme et des paramètres de fonctionnement qui, n'intervenant pas directement dans l'exposé de l'invention, ne seront pas détaillés. Le moteur thermique M reçoit les signaux de com mande SF1 du circuit de commande CC et le foyer F ou le ven tilateur V, le signal de commande SF2. Le foyer F est relié à un premier échangeur ECH1 qui reçoit ses gaz chauds. Cet échangeur est traversé par un second fluide d'un circuit d'eau. L'échangeur ECH1 reçoit en entrée l'eau froide EF1 pour fournir en sortie l'eau chaude EC1. En sortie d'échangeur, les fumées épuisées passent par la conduite CF4 dans la cheminée d'évacuation CHE. Ces fumées peuvent éventuellement être filtrées dans un filtre mécanique mais elles ne nécessitent pas de ca talyseur car les composants polluants ont été détruits par la combustion dans le foyer F ; l'émission d'oxydes d'azote est fortement réduite par abaissement de la température de flamme du brûleur, les composants organiques volatiles sont brûlés et le carbone et le monoxyde carbone sont transformés en dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. Le circuit de refroidissement du moteur M (cir cuit d'eau) comporte un deuxième échangeur ECH2 qui récupère la chaleur de refroidissement moteur M. Les deux échangeurs ECH1, ECH2 alimentent un cir cuit d'eau chaude CEC éventuellement par l'intermédiaire d'un échangeur commun ECH3 dont ou les sorties d'eau froide EF1, EF2 reviennent à chacun des échangeurs ECH1, ECH2. Ce schéma peut également être simplifié et les échangeurs ECH1, ECH2, ECH3 réunis en un seul échangeur, par exemple l'échangeur ECH1 de la chaudière alimentée par le foyer F. En réalité, l'eau du circuit de refroidissement du moteur se mélange directement à l'eau de la chaudière (échan geant la chaleur avec les fumées du foyer) . Cette eau de la chaudière alimente directement ou indirectement le circuit CEC. Dans ce cas, l'échangeur ECH1 fonctionne vis-à- vis du moteur comme une simple bouteille de mélange (assurant un échange thermique par mélange). De même dans le schéma, l'échangeur ECH3 peut être supprimé et le circuit d'eau chaude passer directement par le ou les échangeurs ECH1, ECH2. Toutefois, en pratique, il est préférable d'isoler le circuit d'eau chaude CEC, qu'il s'agisse du circuit de chauffage ou du circuit d'eau sani taire, pour éviter la corrosion ou que les boues ne se dépo sent dans le circuit de refroidissement du moteur M. Le conduit de gaz d'échappement CF du moteur M comporte un clapet à trois voies ou organe similaire D relié soit à la conduite CF1 débouchant dans le foyer F au niveau du brûleur ou à la conduite CF2 reliée au ventilateur V soit un conduit CF3 qui arrive dans une cheminée de secours CHS permettant d'évacuer un excédant occasionnel de fumées du mo teur M. La cheminée CHS peut être la cheminée principale et dans ce cas la conduite CF3 court-circuite le foyer F. L'installation décrite ci-dessus fonctionne de la manière suivante Pour répondre à une demande d'énergie électrique, le circuit de commande CC met en ceuvre la génératrice G en l'entrainant par le moteur M pendant la période de demande ou éventuellement de recharge d'accumulateurs. Le moteur M dégage des gaz de combustion et de la chaleur de fonctionnement. La chaleur de fonctionnement est le cas échéant récupérée dans l'échangeur ECH2. Les gaz de combustion passent par la conduite CF et la conduite CF1 dans le foyer F pour arriver soit au niveau du brûleur BR soit la conduite CF2, à l'entrée du ventilateur V fournissant l'air comburant au brûleur BR. Celui-ci fonctionne et les gaz des fumees subissent une combustion complète à ce niveau. Le brûleur BR est réglé pour fonctionner en des sous de la puissance nominale de la chaudière pour que le vo lume total des gaz, ceux provenant de la combustion du moteur et ceux du brûleur BR soit adapté à la capacité de l'échangeur ECH1. Le circuit de commande CC surveille le fonction nement du brûleur BR pour qu'en cas de disparition de la flamme, il commande l'arrêt du moteur M. Inversement, en cas de demande de chaleur sans demande d'électricité, la chaudière (foyer F, échangeur ECH1) peut fonctionner seule, le moteur M et la génératrice G étant alors arrêtés. Ainsi l'installation permet d'épurer les gaz d'échappement par la flamme du brûleur pour éviter que ces gaz soient rejetés avec des imbrûlés ou créent des risques d'explosion. Les fumées arrivant dans la cheminée CHE sont libérées des imbrûlés et la teneur globale en oxydes d'azote est fortement réduite et tout cela sans nécessiter de pot ca talytique coûteux et fragile. Cette installation ne comporte pas de conduit de fumées autre que celui usuellement utilisé par une chaudière. Selon une variante, le conduit de fumées CF4 est équipé d'un récupérateur de fumées à condensation CD, rel' également au circuit CEC. Ce récupérateur permet de récupérer l'énergie, non seulement les gaz de combustion de la chau dière mais également les fumées du moteur. Les performances thermiques de l'ensemble de l'installation sont ainsi très supérieures à celles d'un teur équipé de son propre échangeur de fumées. De plus, le passage des fumées du moteur dans circuit fumées de la chaudière améliore l'insonorisation du circuit d'échappement du moteur. Enfin, le ou les circuits d'eau traversant échangeurs sont équipés de pompes de circulation non repré sentées. Bien que le dessin montre les différents compo sants de 'installation dans des parties distantes les unes des autres, ces différents composants peuvent être regroupes en un ensemble compact pour réduire les conduits et conduits de liaison. Des moyens d'isolation, non représentés sont vus pour éviter la déperdition de chaleur. De même l'expression eau utilisée ci-dessus est synonyme de tout liquide de refroidissement tel que l'eau additionnée d'antigel ou de liquides organiques usuel lement utilisés dans les circuits de chauffage ou de refroi dissement. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Groupe électrogène avec récupération de chaleur compre nant - un moteur thermique M, - un générateur d'électricité G entraîné par moteur ther mique M, - un échangeur de chaleur recevant les gaz chauds du moteur thermique M pour fournir de l'eau chaude de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire à un circuit utilisateur CEC, caractérisé en ce qu'il comprend - une chaudière CH ayant un foyer F avec un brûleur BR pour alimenter un échangeur de chaleur ECH1 relié au circuit utilisateur CEC, - une conduite de fumées CF débouchant dans foyer F, re liée à l'echappement du moteur thermique M pour recevoir ses gaz d'échappement et les introduire dans le foyer F, - un circuit de commande et de sécurité CC commandant le fonctionnement du foyer F et du moteur M, - une sonde flamme S1 détectant la présence d'une flamme à la sortie du brûleur BR du foyer F pour fournir un signal au circuit de commande CC. 2 ) Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de fumée CF reliant la sortie du moteur thermique M au foyer F comporte une dérivation de secours (D), (CF3). 3 ) Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite de fumées CF1 débouche dans le foyer à la base du brûleur BR. 4 ) Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brûleur BR est équipé d'un ventilateur V et la conduite de fumées CF2 reliée au moteur M arrive à la prise d'air du ven tilateur V. 5 ) Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un échangeur de chaleur ECH2 du circuit de refroidissement du moteur M est également relié au circuit utilisateur CEC. 6 ) Groupe selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que l'échangeur de refroidissement ECH2 du moteur thermique M est l'échangeur de chaleur ECH1 en sortie du foyer F. 7 ) Groupe selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (ECH1, ECH2) commun au foyer F et au circuit de refroidissement du moteur M est l'échangeur de la chaudière CH. 8 ) Groupe selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le circuit d'eau chaude CEC est relié aux échangeurs ECH1 du foyer F et du moteur M par un échangeur ECH3 d'isolement du circuit d'eau chaude CEC.