Brevet FR2944091A1 — publié le 20101008

La présente invention se rapporte à un dispositif de réduction et d'épuration des émissions des appareils de chauffage à combustible solide notamment à bois. Plus particulièrement, l'invention concerne un filtre perfectionné à placer à la sortie des fumées ou en partie supérieure de l'avaloir du foyer fermé d'une cheminée à bois. Dans les appareils de chauffage à combustible solide, les fumées contiennent des particules imbrulées, des poussières fines et des résidus volatils solides, des cendres volantes et autres rejets qui sont généralement polluants pour l'environnement. En outre, un certain nombre d'entre elles, généralement les plus grasses, se déposent sur la paroi interne du conduit de fumées. Cet encrassement augmente les risques de feux de cheminée et nécessite des travaux d'élimination dans le conduit qui sont pénibles et salissants. Pour des raisons d'écologie, de sécurité et de confort, on souhaite équiper les appareils de chauffage à combustible solide notamment à bois d'un ou de dispositif(s) prévu(s) pour débarrasser ces gaz et fumées de combustion de ces particules polluantes et dangereuses. Dans le domaine des dispositifs de réduction des émissions de poussières fines émises par un appareil de chauffage à combustible solide, il existe plusieurs moyens. On connaît par exemple les pièges à poussières, tels que les cyclones à effet centrifuge qui piègent les particules les plus lourdes par gravité. Il s'agit cependant d'un dispositif dont l'action est purement mécanique et qui ne permet pas de retenir les particules les plus légères et les plus volatiles qui sont les plus nocives pour la santé. En outre, ce type de dispositif est assez encombrant et n'est, par conséquent, pas adapté aux cheminées domestiques. On connaît également les filtres à poussières, qui piègent les particules et émissions lors de leur passage à travers une grille très fine prévue pour retenir les impuretés et ne laisser passer que les gaz de combustion. Par ailleurs, les particules émises par la combustion du bois peuvent être chargées de manière électrostatique. Aussi est-il connu d'accroître l'efficacité des filtres à poussières par un effet électrostatique ayant pour but d'attirer et de précipiter les particules chargées sur la structure du filtre. Cependant, l'efficacité de ces filtres se réduit rapidement avec le temps et les particules récupérées venant se déposer sur les structures du filtre constituent une masse qui diminue son efficacité et tendent puis arrivent à le colmater. Il faut prévoir des cycles de régénération du type décolmatage par effet mécanique et d'autres opérations régulières d'entretien. La présente invention a pour but d'assurer le fonctionnement efficace et permanent du filtre d'épuration des fumées en combinant l'effet électrostatique et l'effet catalytique afin de faciliter la régénération, de présenter un bon rendement d'épuration pendant tout son fonctionnement et de minimiser les opérations d'entretien notamment de nettoyage et de ramonage. En outre, le dispositif d'épuration de l'invention présente une perte de charge minimale afin de ne pas limiter l'échappement et l'évacuation des gaz et fumées de combustion, ce qui nuirait au bon fonctionnement de l'appareil de chauffage, notamment à sa bonne combustion. A cet effet, l'invention consiste à créer et à placer un dispositif d'épuration à effet combiné catalytique et électrostatique dans le conduit de sortie ou à la sortie ou en partie supérieure de l'avaloir ou de la boîte à fumées d'un appareil de chauffage à combustible solide. Ce dispositif d'épuration perfectionné comprend au moins une électrode portée à une haute-tension ayant pour but d'électriser les particules, poussières et résidus solides volatils emportés dans les fumées, afin de les entraîner par effet électrostatique vers une autre électrode sous la forme d'un moyen de captage des particules prévu en aval de l'électrode haute-tension pour piéger ces mêmes impuretés et les éliminer en les carbonisant ou en les calcinant. Le principe de l'invention consiste à créer un champ électrostatique entre une électrode disposée dans le conduit d'évacuation à proximité de la sortie de l'appareil ou en sortie des gaz et fumées de combustion ou en partie haute de l'avaloir et un moyen de captage dynamique et électrostatique des particules électrisées, et à le combiner à un effet catalytique. Ce champ électrostatique est obtenu par l'application d'une haute-tension électrique, de préférence continue, entre l'électrode et le moyen de captage dynamique. La partie de l'appareil de chauffage où se trouve placé le dispositif doit, de préférence, être inerte du point de vue électrique pour ne pas nuire au rendement du dispositif. Ainsi, lors du passage des particules chargées électriquement, celles-ci sont attirées par effet électrostatique vers le moyen de captage et se déposent sur celui-ci pour y être retenues et/ou détruites par effet catalytique. Le moyen de captage est situé en aval de l'électrode haute-tension et se présente sous la forme d'une structure métallique de filtre, par exemple une grille fine portée à haute température pour la calcination des poussières et particules solides volantes, ou encore de toute autre partie amovible alvéolaire présentant une perte de charge minimale. Comme indiqué, l'un au moins de ces différents moyens est préférentiellement revêtu en totalité ou partiellement d'un dépôt catalytique favorisant l'élimination de ces particules solides par dégradation thermique suite à l'abaissement catalytique de la température de calcination. Ce dépôt catalytique constitue le moyen de régénération du filtre pour éviter une accumulation trop importante de particules solides dans les cellules ou canaux du filtre. On peut également prévoir, en plus, une régénération des parties constitutives du moyen de captage par une action mécanique, telle qu'une vibration, permettant de faire chuter les particules accumulées dans un réceptacle adapté ou dans le foyer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : . la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une cheminée à bois comportant le dispositif perfectionné d'épuration selon l'invention ; . la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une portion de conduit de fumées comportant le dispositif perfectionné d'épuration selon l'invention dans un premier mode de réalisation ; . la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une portion de conduit de fumées comportant le dispositif perfectionné d'épuration selon l'invention dans un second mode de réalisation ; . la figure 4 est une vue schématique en coupe d'une portion de conduit de fumées comportant le dispositif perfectionné d'épuration selon l'invention dans un troisième mode de réalisation ; et . la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une portion de conduit de fumées comportant un dispositif perfectionné d'épuration selon l'invention dans un quatrième mode de réalisation de l'invention. L'idée générale inventive consiste à prévoir à la sortie des fumées ou de l'avaloir ou en partie supérieure de celui-ci d'un appareil de chauffage à combustible solide notamment à bois par exemple un foyer fermé de cheminée à bois, un dispositif perfectionné d'épuration constitué d'au moins une électrode portée à une haute-tension électrique de préférence continue, et d'une structure de filtre à effet catalytique en aval occupant toute la section de passage des gaz et fumées de combustion. Les parties métalliques de la structure à dépôt catalytique, par exemple cette structure de filtre, sont reliées électriquement à la terre ou à l'autre borne du générateur de haute-tension électrique. La haute tension électrique appliquée à l'électrode est de préférence, mais non limitativement continue. On peut en inverser la polarité dans une application particulière transitoire. La structure de filtre peut présenter un moyen de chauffage intégré ou séparé, disposé à proximité immédiate, en amont ou en aval de la structure de filtre, par exemple à chauffage rapide, établissant rapidement et lorsque nécessaire, la haute température permettant la réaction d'élimination par dégradation thermique suite à l'abaissement par effet catalytique de la température d'ignition des particules solides imbrulées contenues dans les fumées. Selon une variante, le filtre est réalisé sous la forme d'une résistance chauffante revêtue d'un dépôt d'un complexe catalytique de manière à profiter lorsque nécessaire au cours du fonctionnement, des effets conjugués du chauffage à haute température par exemple rapide, et de la réaction d'oxydation catalytique. Le dispositif d'épuration perfectionné selon la présente invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 5. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques. Le dispositif perfectionné d'épuration 1 selon la présente invention est prévu pour être logé dans le conduit de fumées 2 à la sortie d'un appareil de chauffage à bois 3 par exemple une cheminée à foyer fermé ou à la sortie ou dans la partie supérieure de l'avaloir de cet appareil de chauffage 3. Ce dispositif perfectionné 1 comprend un filtre électrostatique 4 formé d'une électrode 5 portée à haute-tension, de préférence continue, et d'une contre électrode 6 pouvant affecter différentes formes techniques. Il peut s'agir d'une structure de filtre 7 métallique ou électriquement conductrice, constituant un moyen de captage 8 des particules solides. Cette structure de filtre 7 est reliée électriquement à la terre ou à l'autre borne du générateur de haute-tension électrique 9 désigné aussi par HT. Les autres pièces doivent être électriquement isolantes de manière à garder le bon rendement du dispositif d'épuration 1. En raison de la forte différence de potentiel existant entre le moyen de captage 8 et l'électrode 5 portée à haute-tension, les particules présentes dans les gaz et fumées de combustion sont électrisées, c'est-à-dire chargées électriquement et attirées par effet électrostatique vers la structure de filtre 7 lors de leur sortie de l'appareil de chauffage 3 par le conduit de fumées 2. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, le moyen de captage 8 est une grille de dépôt 10 située en aval de l'électrode haute-tension 5. Cette grille de dépôt 10 est par exemple constituée d'un maillage métallique assez fin ou de toute autre matière électriquement conductrice alvéolaire ou à cellules ou autrement constituée. Lors du passage des fumées 11, les particules solides imbrulées chargées électriquement sont attirées vers cette grille de dépôt 10 par effet électrostatique et se déposent sur celle-ci. Après la traversée de cette grille 10, les fumées 12 débarrassées des résidus particulaires solides c'est-à-dire épurées peuvent s'évacuer à l'extérieur. Pour sa régénération, par exemple son nettoyage, la grille de dépôt 10 peut être associée à un dispositif mécanique de régénération (non représenté), par exemple sous la forme d'un moyen de vibration ou de secouage ou de raclage mécanique de la grille de dépôt. Un réceptacle (non représenté) peut être prévu sous la grille 10 pour la récupération des particules accumulées qui se détachent de la grille de dépôt 10 lors des opérations de régénération. Cette récupération peut se faire directement par chute gravitationnelle, ou être guidée par exemple par l'intermédiaire d'une rampe, d'une trémie, d'une gouttière, d'un tube ou de tout autre moyen similaire. Ce réceptacle peut être amovible ou non. 1l peut par exemple se présenter sous la forme d'un tiroir afin de pouvoir être vidé périodiquement par l'utilisateur. Le réceptacle peut également être prévu pour diriger automatiquement les résidus vers la boîte à cendres de la cheminée 3. Il ne doit pas constituer un obstacle occasionnant une perte de charge à l'évacuation des fumées et gaz de combustion 11, 12. Selon un second mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, le moyen de captage 8 comprend un moyen de chauffage 13, par exemple sous la forme d'une résistance électrique 14 et une grille de dépôt telle que la grille de dépôt 10 précédemment décrite. Cette résistance électrique 14 est préférentiellement intégrée ou incorporée à la structure de filtre 7 ou disposée à proximité immédiate de celle-ci. Elle est de préférence du type à haute température permettant de calciner les particules solides retenues. La résistance 14 peut être revêtue d'un dépôt catalytique. Elle est par exemple constituée d'un maillage métallique ou de toute autre matière alvéolaire. Lors du passage des fumées 11, les particules solides imbrulées sont attirées vers cette grille de dépôt 10 et se déposent sur celle-ci pour y être dégradées par calcination catalytique tandis que les fumées épurées 12 peuvent la traverser et être évacuées à l'extérieur. La résistance électrique 14 représentée en amont de la grille de dépôt 10 sur la figure 3 peut également être située en aval de celle-ci. Selon une variante, la grille 10 du filtre 7 peut être revêtue d'un dépôt catalytique. Elle peut être chauffante ou chauffée. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4, le moyen de captage 8 comprend une résistance électrique 14 et une grille de dépôt 10 telle que la grille de dépôt 10 précédemment décrite, cette grille de dépôt 10 étant en outre une résistance électrique 14, par exemple réalisée en une matière électriquement résistive et revêtue d'un dépôt catalytique. Le moyen de captage 8 selon ce troisième mode de réalisation est un moyen de captage 8 qui intègre en un seul bloc une résistance électrique 14 et une grille de dépôt 10, selon le mode de réalisation précédent. Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 5, le moyen de captage 8 comprend un moyen de chauffage 13 sous la forme d'une résistance électrique de chauffage 14 et une grille de dépôt 10 revêtue d'un dépôt catalytique. Selon ce mode de réalisation, le moyen de chauffage 13 est séparé mais situé à proximité immédiate de la grille de dépôt 10 de façon à favoriser la dégradation catalytique des résidus sur la surface de la grille de dépôt 10. En effet, l'énergie thermique diffusée par la résistance électrique de chauffage 14 améliore la cinétique de la dégradation catalytique des impuretés sur la grille de dépôt 10. Sur la figure 5, la résistance électrique 14 a été représentée placée en aval de la grille de dépôt 10, mais elle peut aussi bien être située en amont de celle-ci. Selon les modes de réalisation précédemment décrits, la résistance 14 peut être confondue avec la grille 10 ou distincte, c'est-à-dire séparée de celle- ci, alors que la résistance 14 ou la grille 10 peuvent comporter l'une ou l'autre ou chacune un revêtement catalytique. Selon ce mode de réalisation, la résistance 14 est séparée et donc distincte de la grille 10. De manière générale, les différents moyens constitutifs du dispositif perfectionné d'épuration 1 de l'invention qui sont situés dans le conduit de fumées 2 sont prévus pour présenter une perte de charge minimale et ainsi ne pas diminuer le tirage de l'appareil de chauffage à combustible solide 3. En ce qui concerne le chauffage, il est préféré un moyen de chauffage rapide qui sera occasionnel, c'est-à-dire n'opérant que lorsque la température est insuffisante pour provoquer et entretenir la réaction de catalyse. Ceci est le cas au moins pendant les phases transitoires de démarrage et d'extinction du feu. Il peut exister en allure réduite. On peut envisager comme moyen de chauffage un moyen de chauffage utilisant l'énergie électromagnétique des micro-ondes. Diverses précautions connues d'isolation et de choix des matériaux doivent être prises. De manière évidente, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation préférentiel décrit précédemment et représenté sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif d'épuration (1) des gaz et fumées de combustion (11) d'un appareil de chauffage à combustible solide (3) notamment à bois disposé à la sortie des gaz et fumées de combustion de l'appareil (3) ou de son avaloir, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une électrode (5) portée à une haute tension électrique et un moyen de captage (8) des particules, poussières et résidus volatils contenus dans les fumées (11), ce moyen de captage (8) présentant un effet catalytique et étant situé en aval de l'électrode haute-tension (5), et en ce qu'il comprend un moyen de chauffage (13) situé à proximité de, ou intégré dans, le moyen de captage (8), l'ensemble de ces moyens étant destiné à favoriser la dégradation des particules, poussières et résidus volatils contenus dans les fumées (11). 2. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la haute tension électrique est une haute tension continue. 3. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la haute tension électrique est une haute tension continue dont on peut inverser la polarité. 4. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de chauffage (13) est un moyen de chauffage rapide et occasionnel. 5. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de chauffage rapide (13) est un moyen qui utilise l'énergie électromagnétique des micro-ondes. 6. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de captage (8) est une grille de dépôt (10). 7. Dispositif d'épuration selon larevendication 6, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) du moyen de captage (8) est revêtue d'un dépôt catalytique favorisant la dégradation des particules, poussières et résidus volatils contenus dans les fumées (11). 8. Dispositif d'épuration selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) du moyen de captage (8) est une résistance (14) ou réalisée en matière électriquement résistive pour chauffer lorsqu'on lui fournit une énergie électrique et est revêtue d'un dépôt catalytique pour activer la dégradation des particules, poussières et résidus volatils contenus dans les fumées {11). 9. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de captage (8) comprend une grille de dépôt (10) revêtue d'un dépôt catalytique favorisant la dégradation des particules, poussières et résidus volatils contenus dans les fumées (11), et une résistance électrique (14) de chauffage rapide située à proximité immédiate de la grille de dépôt (10). 10. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de captage (8) comprend une résistance électrique (14) séparée et une grille de dépôt (10). 11. Dispositif d'épuration selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) du moyen de captage (8) est une résistance électrique (14). 12. Dispositif d'épuration selon la revendication 5, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) est située à proximité d'une résistance (14) de chauffage rapide. 13. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la résistance électrique (14) de chauffage rapide estsituée en amont de la grille de dépôt (10). 14. Dispositif d'épuration selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) est associée à un dispositif mécanique de régénération par secouage ou par vibration. 15. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la grille de dépôt (10) et le dispositif mécanique de régénération sont associés à un réceptacle sous la grille de dépôt (10) pour la récupération des particules accumulées. 16. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réceptacle est éloigné de la grille de dépôt (10) et relié à elle par des moyens de guidage, conduit, rampe, trémie. 17. Dispositif d'épuration selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réceptacle est la boîte à cendres de l'appareil de chauffage.