Brevet FR2907198A1 — publié le 20080418

-1- La présente invention se rapporte à un brûleur à céréales ou tout autre combustible solide fractionné destiné à fonctionner en association avec une chaudière de chauffage central domestique. Les combustibles solides tels que bois déchiqueté, granulés de 05 bois, granulés de paille, céréales, sont généralement brûlés dans des chaudières conçues spécialement à cet effet, avec une combustion sur grille. Ce procédé a l'inconvénient de produire un amas de cendres et de mâchefers qui finissent par obstruer la grille de la chaudière et nécessitent donc des moyens mécaniques 10 sophistiqués donc fragiles et coûteux, pour leur élimination. Les mâchefers sont les sous-produits de certains éléments, tels la silice, contenus dans les combustibles végétaux. Ils se produisent à haute température par fusion de cette silice et donnent un produit pâteux, semblable à du verre en fusion. Certaines chaudières sont conçues 15 pour ne pas produire de mâchefer siliceux car la température de combustion au niveau de la grille est maintenue très en dessous de la température de fusion de la silice. Mais de telles chaudières à basse température ont un mauvais rendement. Elles produisent des quantités importantes de matières solides ou gazeuses imbrûlées ce 20 qui nécessite un nettoyage fréquent du foyer et une pollution atmosphérique importante. Pour remédier à ces inconvénients, diverses inventions proposent des avant-foyers extérieurs à la chaudière dans lesquels on produit la combustion à haute température, les gaz chauds étant envoyés dans la chaudière. Les 25 solutions proposées par divers auteurs ont souvent un rendement acceptable mais produisent malgré tout des mâchefers et des cendres qu'il faudra dégager de l'avant-foyer si l'on veut maintenir durablement de tels rendements. De plus, ces avant-foyers nécessitent des chaudières spécialement adaptées car les 30 dimensions de sortie de flamme de ces brûleurs ne sont pas compatibles avec le parc de chaudières existant. Enfin, ils ne sont pas mobiles et donc difficiles à déplacer hors de la chaudière. La plupart des chaudières domestiques installées sont constituées d'un corps de chauffe servant d'échangeur flamme/eau. 2907198 -2- La flamme est produite généralement par des brûleurs à fioul domestique. Le dispositif selon l'invention se propose de remplacer le brûleur à fioul domestique par un brûleur à céréales ou autre combustible solide fragmenté évitant les inconvénients décrits plus haut. La majorité des brûleurs à fioul a un faible diamètre de sortie (généralement 100 mm) et les brûleurs à combustibles solides ont des dimensions de sortie beaucoup plus importantes qui ne permettent pas une adaptation immédiate aux chaudières du marché, prévues pour des brûleurs à fioul domestique. Le dispositif selon l'invention est ainsi un brûleur muni d'une buse de sortie de diamètre 100 mm environ, pouvant se raccorder sur la majorité des chaudières à fioul, sans transformation notable de celles-ci et évitant les inconvénients dûs au mâchefer produit par ce type de combustible. Le dispositif représenté figure (1) est ainsi un brûleur à céréales (1) tels que blé, orge, avoine, triticale, colza et autres grains ou autres combustibles solides fractionnés, qui comprend une enceinte tubulaire (11) dans laquelle s'opère la combustion . Cette enceinte cylindrique (11) en métal résistant à de hautes températures sans corrosion ni déformation, tel que l'acier inoxydable réfractaire, reçoit à son arrière , dans sa partie basse (111), le combustible poussé par une vis d'Archimède hélicoïde (2) logée dans un tube cylindrique (21). Le débit de céréales combustible réglable par un système de variation de vitesse du moteur (3) est lié à la puissance de flamme demandée par l'installation. L'allumage initial du brûleur se fait manuellement en début de saison de chauffe par la porte arrière (12). Un oeilleton (113) permet de contrôler l'intérieur du foyer. Une partie du foyer (12) est percée dans sa partie basse d'orifices (114) par lesquels est injecté l'air comburant comprimé par le ventilateur (4). Une partie de l'air du ventilateur traverse la vanne de réglage de débit (115) avant de contourner le foyer (11) et de pénétrer dans les orifices (114). Le contournement de l'air froid dans la zone (12) entre le foyer 2907198 -3- (11) et une enceinte extérieure (13) permet de refroidir le foyer à l'endroit où il est le plus chaud et de refroidir ainsi le métal du foyer contre une corrosion ou une déformation excessive. Les gaz chauds sont poussés vers la sortie (116) après avoir été 5 comprimés dans une partie conique (117) comportant des orifices (118). L'espace entre le foyer (11) et l'enceinte extérieure (13) est séparé en deux parties au moyen d'une paroi (14) en forme de couronne. Une partie de l'air du ventilateur (4) est donc dirigé vers les orifices (114) du foyer cependant qu'une autre partie traverse 10 une autre vanne de réglage de débit (119), entre dans le volume (15) et passe par les orifices (118) percés dans la partie conique (117) de l'avant foyer. Cet air permet de compléter la combustion des gaz issus de la combustion primaire à l'arrière du foyer. De plus, le passage de cet air froid dans la chambre (15) 15 refroidit l'avant du foyer où sont concentrés les flammes et gaz les plus chauds et protège ainsi le métal contre la corrosion et les déformations. Les céréales poussées par le vis d'Archimède (2) arrivent dans le foyer (11) dans une zone où la température est très élevée. Certaines céréales produisent du mâchefer au cours de 20 leur combustion, spécialement à haute température. Ce mâchefer est poussé vers l'avant du foyer par les céréales qui arrivent de l'arrière. La vis d'Archimède en poussant les céréales dans le foyer (11) pousse en même temps les matières en combustion au-dessus des orifices (114) ainsi que les 25 mâchefers et cendres produites. Ces cendres et mâchefers poussés vers l'avant tombent dans un large orifice (119) communiquant avec un cendrier (5). Ce cendrier est muni d'une porte étanche (51) qui permet de retirer périodiquement les cendres (52). Si certains mâchefers se forment en morceaux de dimensions 30 plus importantes que l'orifice (119), ils ne peuvent pas passer au travers de celui-ci. Mais lorsqu'ils arrivent sur la partie conique (117) qui forme un obstacle, ils se fracturent en petits morceaux et retombent dans l'orifice (119). L'air froid arrivant par les trous (118) favorise la fragmentation de ces mâchefers par le choc 2907198 -4- thermique produit par cet air froid sur les plaques de mâchefer en incandescence. De plus, les trous (118) étant perpendiculaires à la surface du cône (117) l'air est dirigé en vers l'arrière du brûleur repoussant vers l'orifice (119) les éléments de mâchefer 5 fractionné. Le brûleur raccordé à la chaudière par sa buse d'évacuation (116) de diamètre 100 mm environ, fonctionne à deux régimes différents : - En marche normale la puissance du brûleur correspond à la puissance nominale de la chaudière. Dans un système de chauffage 10 central, l'eau traversant la chaudière est portée à haute température et traverse les radiateurs de l'installation où elle se refroidit en réchauffant l'air ambiant de l'habitation. Lorsque la température d'eau de la chaudière atteint un seuil maximum affiché sur le thermostat, celui-ci bascule et met le brûleur en veilleuse. 15 - En marche en veilleuse, un dispositif électrique assure la marche au ralenti de la vis et du ventilateur. La quantité de céréales introduite dans le foyer (11) par la vis (2) est alors tout juste nécessaire au maintien d'un feu de très faible puissance qui permettra la relance du brûleur à pleine puissance lorsque la 20 chaudière sera à nouveau en demande. En période de veilleuse, le ventilateur (4) fonctionne au ralenti, à une pression tout juste suffisante pour empêcher les remontées de fumée dans le ventilateur (4) par l'orifice d'entrée d'air (41). Pour éviter les remontées de feu vers le silo à grains (6) au travers 25 de la vis d'Archimède (2) il est prévu un quadruple dispositif : - Tout d'abord, le diamètre extérieur de la vis d'Archimède 2 est égal au diamètre du tube enveloppe (21) moins un très faible jeu, laissant peu d'espace pour le passage du feu entre la vis et le tube. 30 - De plus, la vis est de grande longueur offrant une difficulté supplémentaire au feu qui aurait un parcours très long à parcourir pour atteindre le silo (6). - Par ailleurs, le pas de l'hélicoïde de la vis est très faible. Pour amener le grain au foyer du brûleur, la vis doit faire un 2907198 -5- nombre de tours important. De même, pour remonter vers le silo (6), le feu a un parcours très long à effectuer, diminuant le risque d'incendie. - Enfin, pour empêcher la progression de feu vers le silo (2), 5 il faut empêcher l'air et les fumées de progresser vers la vis (2) à partir de l'ouverture (111). Dans ce but, un couvercle étanche (62) est prévu au dessus du silo à grains (6). L'intérieur du silo restant sous pression par rapport à l'intérieur du foyer, les fumées et donc le feu ne peuvent progresser entre le foyer et le silo. 10 L'installation est monobloc : Le silo (6), la vis (2), son tube enveloppe (21) et le moteur (3), le foyer (11), la double enveloppe (13), le ventilateur (4) et le cendrier (5) sont assemblés d'un seul bloc. De plus, l'ensemble est monté sur un des roues de façon à le rendre mobile. L'ensemble peut ainsi être aisément déconnecté 15 de la chaudière (8) et déplacé de façon à pouvoir intervenir sur cette dernière pour un éventuel nettoyage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard du dessin annexé, d'un exemple de réalisation non limitatif. Le dessin 20 représente un brûleur suivant l'invention, en coupe longitudinale, la simplicité de l'invention ne nécessitant pas d'autre dessin, celui-ci représentant clairement l'ensemble des éléments décrits ci-dessous. Le brûleur à céréales représenté comprend une enceinte tubulaire (11) offrant la forme d'un cylindre de révolution. La 25 combustion se produit à l'intérieur de ce cylindre. Ce cylindre est fermé à l'arrière par une paroi (120) percée de deux ouvertures : - Une ouverture (11 a) destinée à l'allumage initial du foyer. Elle reçoit une porte de fermeture étanche munie d'un oeilleton de contrôle de flamme (13). 30 - Une ouverture (111) par laquelle le combustible est introduit dans le foyer, poussé par une vis d'Archimède (2) dont le tube enveloppe (21) est fixé solidairement à la paroi (11 b). A l'opposé de cette paroi (11b), le cylindre (11) se réduit en forme de cône de révolution (117). Ce cône réduit le diamètre de sortie 2907198 -6- des flammes du foyer à une dimension très faible, généralement 100 mm environ, ce diamètre étant celui de la majorité des brûleurs à fioul installés sur les chaudières domestiques. Le cylindre (11) est muni d'un orifice (119) situé à proximité immédiate de la 5 réduction conique (117), dans la partie basse du cylindre. Cette ouverture est reliée de manière étanche à une enceinte (5) elle-même étanche, destinée à recevoir les cendres et mâchefers. Le cylindre (11) est muni dans sa partie basse d'ouvertures (114) de dimensions inférieures aux céréales utilisées comme combustibles. 10 La partie conique (117) est munie d'orifices (118) sur sa périphérie. Concentriquement au cylindre (11), un autre cylindre (13) est destiné à distribuer l'air pour la combustion des céréales et pour le refroidissement du cylindre (11). Ce cylindre (13) est fermé à ses deux extrémités par une paroi étanche. A 15 l'arrière, la paroi (131) est percée d'une ouverture destinée à laisser passer le tube (11c). Par ce tube, on pourra accéder à l'intérieur du brûleur pour procéder à l'allumage initial du combustible. Le tube (11 c) comporte une porte étanche (112) et un oeilleton transparent (113). 20 La paroi (131) est également percée dans sa partie basse d'une ouverture laissant passer le tube (21) d'amenée du combustible. L'avant du cylindre (13) est obturé par une paroi (132). Cette paroi (132) est percée d'un orifice (133) laissant passer la sortie (116) du cône (117). En dessous du cylindre (13) est disposée une ouverture 25 (134) destinée au passage des cendres et mâchefers. Au dessus du cylindre (13) est disposée une ouverture (135) dirigée vers le ventilateur (4). La zone comprise entre les deux cylindres concentriques (11) et (13) est partagée en deux partie au moyen d'une couronne (14) incorporée d'une manière étanche 30 entre ces deux cylindres. Cette couronne partage l'air du ventilateur (4) entre une zone arrière (12) et une zone avant (15). Des volets de réglage type papillon (115) et (119) permettent de régler les débits d'air du ventilateur (4) entre les zones (12) et (15). La zone (12) alimente en air les orifices (114) 2907198 -7- prévus dans le bas du cylindre (11). La zone (15) alimente en air les orifices (118) prévus dans le cône (117). Un volume (5) de stockage de cendres et mâchefers est relié à l'ouverture (119) du cylindre (11). Un ou plusieurs côtés de ce volume peuvent être 5 ouverts et obturés par une porte (51) destinée à l'enlèvement périodique des cendres. Un silo (6) de dimensions variables et comportant à sa base un fond de forme pyramidale inversée contient les céréales ou autres combustibles solides granuleux (61). Un couvercle (62) obture de manière étanche à l'air la partie 10 supérieure de ce silo. La mise sous pression de ce dernier empêchant la remontée de feu depuis le foyer via la vis d'Archimède. Le dessous du silo (63) est en liaison avec la vis d'Archimède (2) entraînée en rotation par le moteur (3). La vis d'Archimède (2) est logée dans un tube cylindrique (21) dont le 15 diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur de la vis d'Archimède moins un jeu très faible. Le pas de la vis est très serré et la longueur de la vis est assez importante pour limiter le risque de remontée de feu, depuis le foyer (11) vers le silo (6). Toutes les parties du brûleur, y compris le cendrier (5), le ventilateur (4), le 20 silo (6), la vis d'Archimède (2), son tube enveloppe (21) et le moteur (3) sont reliées entre elles de manière solidaire et rigide. L'ensemble est équipé de roues (7) pour permettre un déplacement aisé du brûleur vers l'avant ou l'arrière et de dégager la chaudière pour un éventuel nettoyage. L'appareil objet de l'invention peut 25 recevoir tout combustible solide fractionné, tels que graines de céréales, bois déchiqueté, granulés de végétaux, ou déchets divers. L'appareil objet de l'invention peut être construit avec des matériaux réfractaires divers, tels que certains aciers inoxydables, mais également d'autres matériaux tels que la fonte réfractaire, 30 certaines céramiques et d'une manière générale, tous matériaux réfractaires pouvant se prêter à une mise en forme suivant l'invention décrite. L'appareil objet de l'invention est destiné en premier lieu à s'adapter sur des chaudières de moyenne puissance, 2907198 -8- telles que les installations de chauffage domestique, mais également, en changeant les dimensions, il est possible de l'adapter à des besoins plus importants pour usages collectifs ou industriels. Revendications 1)- Brûleur à céréales caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte cylindrique réfractaire (11) dans laquelle s'effectue la combustion à haute température et protégée contre la surchauffe par un flux d'air froid provenant d'un ventilateur (4), - une vis d'Archimède (2) amenant les céréales depuis un silo étanche à l'air (6), cette vis ayant une grande longueur, un pas très serré et un diamètre extérieur proche du diamètre intérieur du tube enveloppe (21), - un orifice (119) permettant l'évacuation des cendres et 10 mâchefers vers un cendrier étanche (5), -une sortie de flammes (116) de diamètre égal au diamètre des brûleurs à fioul de chauffage domestique, - un cône de réduction (117) entre l'enceinte (11) et la sortie (116), bloquant les plaques de mâchefer qui pourraient échapper à 15 l'orifice (119) et fractionnant ces mâchefers incandescents par injection d'air froid dans les orifices (118), le flux d'air étant orienté vers l'arrière forçant les mâchefers fractionnés à revenir vers l'orifice (119). 2)- Brûleur à céréales suivant la revendication 1 caractérisé en ce 20 que les débits de combustible et d'air sont réglables par un dispositif électrique assurant soit la marche normale à puissance nominale du brûleur, soit la marche à puissance réduite permettant la mise en veilleuse du brûleur pendant des périodes indéterminées. 3)- Brûleur à céréales selon les revendications 1 et 2 caractérisé en 25 ce que pendant les périodes de veilleuse le ventilateur (4) met l'enceinte (11) sous légère surpression interne empêchant les fumées de remonter vers l'orifice d'entrée d'air (41) du ventilateur (4). 4)- Brûleur à céréales selon les revendications 1 à 3 caractérisé en 30 ce qu'une double enveloppe (13) concentrique à l'enveloppe de 2907198 -10-l'enceinte (11) constitue un volume d'air sous pression séparé en deux zones (12) et (15) au moyen de la paroi (14) en forme de couronne permettant la séparation de l'air produit par le ventilateur (4). 5 5)- Brûleur à céréales selon une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il peut utiliser comme combustible aussi bien toutes sortes de graines de céréales, que des granulés de bois, de paille ou autres, du bois déchiqueté ou tous déchets végétaux fractionnés. 6)- Brûleur à céréales selon une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'enceinte (11) peut être construite en tout matériau réfractaire tels que certains aciers inoxydables, les fontes réfractaires, certaines céramiques. 7)- Brûleur à céréales selon une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il peut être construit dans des dimensions réduites ou augmentées, de façon à produire toute puissance souhaitée.