Brevet FR3034847A1 — publié le 20161014

-1- DESCRIPTION La présente invention s'applique au domaine de chauffage domestique sans pour autant exclure les domaines de chauffage collectif et industriel. Elle concerne un dispositif qui réunit les avantages des principes de chauffage conventionnels (poêles, radiateurs) avec ceux des poêles à accumulation (appelés couramment « poêles de masse »). Le chauffage centrai a connu un grand succès à partir des années soixante. Le principe, -faire chauffer et circuler un fluide caloporteur dans un circuit d'éléments de chauffe fermée-, est simple, mais, au coût élevé de sa mise en place et de son entretien s'ajoute aujourd'hui la cherté des carburants. A l'heure actuelle, le poêle à bois traditionnel suscite à nouveau l'intérêt des français. La matière constructrice et conductrice des poêles traditionnels est un métal ferreux (fer, fonte, acier...) et la conductivité thermique de ces matériaux est excellente. Cependant, ces appareils soulèvent deux problèmes : - Les poêles traditionnels exigent un feu continu et un soin permanent. Leur consommation en combustible (bois ou dérivés de bois) est conséquente et fait prospérer la filière du bois de chauffage. Toutefois, il est évident que le prix du bois de chauffage augmentera considérablement dans les années à venir, ce qui rendra ce mode de chauffage bien plus onéreux. - Les modes de chauffage à bois traditionnels (poêles, inserts, cheminées à récupération air chaud, poêles à granulés etc...) fonctionnent principalement par convection : l'air autour de l'appareil chauffe, s'élève et se disperse dans la pièce d'une façon circulaire. Ceci provoque un assèchement de l'air et une circulation de poussière, réputée mauvaise pour les voies respiratoires. Les poêles de masse n'ont pas ces inconvénients Leurs bienfaits sont connus une chaleur douce et saine, peu d'assèchement d'air et une circulation de poussière limitée. S'ajoute à cela une consommation réduite et une bonne combustion. - Ils ont cependant des inconvénients : leur poids, leur volume et leur prix élevé. Ces prix sont dus aux matériaux : la pierre à grande capacité calorifique (pierre ollaire, basalte etc...) est lourde, difficile à transporter et à travailler. L'installation transforme l'habitation en chantier et une fois mise en place, ces appareils volumineux deviennent intransportables. Autres désavantages : les dimensions souvent limitées du foyer et le temps considérable mis par le poêle pour commencer à diffuser la chaleur. Ici, le matériau accumulateur principal du « poêle de masse à fluide » est l'eau. Le poêle peut donc être transporté « à vide », après quoi il suffît de le remplir d'eau ordinaire pour que l'appareil soit opérationnel. Outre d'être disponible et bon marché, l'eau possède une capacité thermique volumique qui est au moins de 40% supérieure à celle de la pierre réfractaire. 3034847 -2- Le principe du poêle de masse à fluide est simple : un foyer est relié à un corps conducteur qui contient un fluide ou un autre matériel à grande capacité calorifique. 5 Ce matériel va absorber les calories des gaz chauds du conduit et les transporter vers les parois extérieures du récipient où ils seront diffusés dans la pièce par rayonnement. Le récipient, nous l'appellerons « caisson ». Ce caisson constitue en lui seul une combinaison heureuse de 4 modes de transmission calorifique : transmission par conduction (dans un premier temps par la paroi de la conduite et dans un second temps 10 par la paroi du caisson), transmission par accumulation, transmission par convection et transmission par radiation. Cette spécificité lui permet de remplir simultanément 5 fonctions : 1) Transporter les gaz brulés au conduit d'évacuation. 2) Contenir une grande quantité de fluide à forte capacité calorifique. 15 3) Absorber (par conduction) les calories des gaz brûlés qu'il transporte. 4) Transporter (par convection) ces calories aux parois extérieures. 5) Diffuser (par rayonnement) ces calories dans l'ambiance. (Si on souhaite chauffer d'autres pièces, il est possible de raccorder au caisson un circuit d'éléments radiants, équipé d'un circulateur afin de propulser le fluide caloporteur. Cet 20 ajout transformera le dispositif en « chaudière de masse à fluide».) Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure 1 représente un modèle puissant. - La figure 2 représente un modèle d'une puissance moindre. 25 - La figure 3 représente une coupe frontale du caisson avec indication du mouvement du liquide. - La figure 4 représente une coupe latérale du dispositif avec numération des éléments. - La figure 5 représente une variante avec conduit à lamelles ou à ailettes (une variante droite est plus facile à produire et augmente aussi le coefficient de conductibilité du 30 conduit) avec indication de la circulation du fluide et image du conduit en perspective. En référence aux dessins 1, 3 et 4, l'appareil de chauffage présenté met en valeur les capacités remarquables de deux matériaux : - pour le métal ferreux la conductivité, la rigidité et l'aptitude au rayonnement, 35 - pour l'eau la capacité thermique volumique et l'aptitude à la convection. En exploitant simultanément les processus d'accumulation et d'échanges thermique, ce dispositif donne le confort avec un rendement énergétique exceptionnel. Il permet de réduire le travail de chauffe et le montant de la facture du combustible. Nous appellerons ce modèle « poêle de masse à fluide ». 40 II possède un grand foyer fermé, semi-fermé ou ouvert. Son manteau, comme la plupart des éléments de l'appareil, est en acier ou en acier inoxydable. Cet habillage fait partie du « caisson » (7) L'intérieur du foyer est en fonte habillé avec des plaques en vermiculite (20) pour augmenter la température dans le foyer. Le foyer est raccordé à 3034847 -3- un tube spiralé également en acier ou en inox(6) qui conduira les gaz de combustion venant du foyer et les permet de monter d'une façon oblique et circulaire dans un 5 circuit prolongé. Cette spirale est construite par un assemblage de coudes soudés. Pour la consolidation, elle est reliée par des tiges en acier (5) aux parois du caisson. La spirale fait partie intégrante du caisson. Elle te « transperce » dans un but de prolonger le temps de circulation des gaz dans la masse et peut être équipé d'un dispositif de fermeture. 10 Soudée au caisson par le bas, elle en sort librement en haut, enrobée d'un joint type feutre de fibre de verre. Le caisson est superposé ou non au foyer (qu'il enveloppe partiellement de façon que l'ensemble prenne l'aspect d'un poêle de masse). Il comprend un container, un cylindre, ou un récipient quelconque et est connecté à un conduit d'évacuation de gaz. 15 II peut fonctionner comme source de chaleur autonome, mais peut aussi être connecté : - soit à d'autres éléments de chauffage à condition que son matériau à grande capacité calorifique soit un fluide qui alimente directement les éléments de chauffe ou qui transporte ses calories vers un échangeur de chaleur. - soit à des panneaux solaires thermiques. 20 - soit à une pompe à chaleur géothermique, aquathermique ou aérothermique, ce qui permet au caisson d'accéder aussi à la fonction d'élément de refroidissement ou de climatisation. Le caisson est étanche (sauf en haut) et ses parois sont lisses ou bien côtelées ou travaillées de façon d'agrandir sa surface d'échange afin d'augmenter la diffusion de 25 chaleur dans l'ambiance. Il héberge un vide (2) qui sert comme vase d'expansion pour le liquide lorsque celui-ci augmente en température. Le volume de ce vide est déterminé par l'emplacement d'une vanne ou un robinet de débordement. Le caisson est équipé d'ouvertures de remplissage et de vidange permettant de remplir le réservoir de fluide dès que le poêle est mis en place, et de le vidanger à nouveau s'il 30 est besoin de le transporter. L'air entre par une bouche raccordé à l'air extérieur et est préchauffé derrière le foyer (15). Les gaz chauds suivent en forme de spirale qui permet au gaz de combustion de chauffer au mieux la masse qu'elle transperce, constitué de l'acier et surtout de l'eau. Dès la première chaleur, un mouvement de convection du fluide (figure 2) va contribuer 35 à la rapidité de chauffe de la masse et donc de la pièce. Le rayonnement, chaleur saine et agréable propre aux poêles de masse, est pour la majeure partie différée mais pour un petit part directe : grâce au foyer vitré panoramique, l'utilisateur profitera d'une diffusion de calories directe et immédiate : celui du rayonnement du feu et de la braise. En comparant l'activité du foyer avec l'indication du thermomètre frontal, intégré au 40 caisson (17), on peut déduire les besoins en combustible : du bois sec (branches, bûches, bois de récupération, pommes de pins, dérivés de bois etc...). Le foyer peut être adapté pour une combustion à gaz naturel, au charbon, aux dérivés de déchets, au fuel ou à une combustion mixte. 3034847 -4- Il est possible de connecter le caisson à une pompe à chaleur pour des apports calorifiques supplémentaires. On peut aussi connecter le caisson à un échangeur de 5 chaleur ou à un réseau hydraulique d'éléments de chauffe (radiateurs, circuits intégrés) et chauffer ainsi des pièces supplémentaires. A cause de la simultanéité des différents procédés de transmission de calories, le poêle se mettra plus vite à chauffer que les poêles de masse conventionnels. En même temps, il restera chaud très longtemps grâce au coefficient de stockage calorifique 10 exceptionnel de l'eau. Une fois que l'eau dépasse une certaine température (par exemple 70°C), un régulateur de tirage commencera à réduire l'arrivée d'air à l'aide d'un clapet (14), pour la fermer complètement à, par exemple 95°C, ceci pour éviter l'ébullition du fluide. Le clapet (ou autre dispositif situé au raccordement à l'air extérieur du foyer) est relié 15 par une chainette ou baguette (9) à un régulateur de tirage mécanique (ou électrique) (8) dont la sonde thermique (ou électronique) se trouve à l'intérieur du caisson. Il peut se rouvrir automatiquement dès que la température du fluide baisse. Ce dispositif de fermeture du canal d'apport d'air permet donc de régler la température du caisson par voie thermostatique, par voie électronique ou bien par voie manuelle. 20 Une soupape de sécurité sur le circuit de vidange (10) exclut le risque de surpression en cas où, par erreur, le joint ou le clapet en haut de la caisse se trouveraient colmatés. Le rendement de ce poêle est tel que 2 séances de combustion d'environ 1 heure suffisent pour chauffer une pièce de 100 mètres cube. REVENDICATIONS1) Poêle à accumulation caractérisé en ce qu'il comporte un foyer et un corps conducteur qui : - transporte les gaz de combustion, - absorbe les calories qu'ils contiennent et - les diffuse dans l'ambiance par rayonnement. Le corps conducteur comprend un container, un cylindre, ou un récipient quelconque qui contient un fluide ou autre matériel à grande capacité calorifique, lequel convient simultanément à l'accumulation des calories transmise par le conduit chaud et au transport de ces calories vers les parois extérieures du corps' Ce caisson est transpercé par un conduit étanche qui transportera les gaz de combustion chauds. Le conduit est rallongé pour augmenter la surface d'échange thermique et pour prolonger le temps de circulation des gaz dans la masse avant leur évacuation définitive. Le conduit peut être équipé d'un dispositif de fermeture. Le caisson, superposé ou non au foyer, peut fonctionner comme source de chaleur autonome, mais peut aussi être connecté: - soit à d'autres éléments de chauffage à condition que son matériau à grande capacité calorifique soit un fluide qui alimente directement les éléments de chauffe ou qui transporte ses calories vers un échangeur de chaleur. - soit à des panneaux solaires thermiques. - soit à une pompe à chaleur géothermique, aquathermique ou aérothermique, ce qui permet au caisson d'accéder également à la fonction d'élément de refroidissement ou de climatisation. 2) Poêle à accumulation, selon la revendication précédente, caractérisé par un foyer fermé, semi-fermé ou ouvert. Ce poêle est relié à un corps conducteur superposé présentant un conduit vertical en forme de spirale. Les gaz brulés montent d'une façon oblique et circulaire dans un circuit prolongé enveloppé par un fluide à forte capacité calorique. Ce fluide est contenu dans un caisson. Le prolongement des parois de ce caisson: - enveloppe entièrement une cavité perforée située au-dessus qui sert de vase d'expansion, pour contenir l'excédent de volume du fluide à forte chaleur massique, - enveloppe partiellement le foyer de façon que l'ensemble prenne l'aspect d'un poêle de masse. 3) Poêle à accumulation, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la conduite des gaz brulés, le matériau du caisson et de t'enveloppe du foyer est en métal, de façon que son poids à vide sans fluide à forte capacité calorique permette sa transportabilité. 3034847 -6- Le caisson est équipé d'ouvertures de remplissage et de vidange permettant de remplir le réservoir de fluide dès que le poêle est mis en place, et de le vidanger à nouveau s'il 5 est besoin de le transporter. 4) Poêle à accumulation selon ta revendication 1 caractérisé en ce que le conduit des gaz chauds est en forme de tube à lamelles - ou à ailettes - de façon à augmenter le coefficient de conductibilité de ce conduit. 10 5) Poêle à accumulation selon une des revendications précédentes dont le combustible est le bois, les dérivés de bois, le gaz naturel, le charbon, les dérivés de déchets, le fuel ou de type mixte bois/charbon. 15 6) Poêle à accumulation selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson contenant le matériau à forte capacité calorifique contient un thermomètre frontal (17) et/ou une sonde thermique ou électronique. Cette sonde fait partie d'un appareil régulateur (8) guidant un clapet (14) ou autre dispositif situé au raccordement à l'air extérieur du foyer. Le clapet se ferme progressivement jusqu'à la 20 fermeture complète lorsque le fluide à chaleur massique atteigne la température souhaitée et se rouvre automatiquement dès que la température baisse significativement. Ce dispositif de fermeture du canal d'apport d'air permet de régler la température du caisson par voie thermostatique, par voie électronique ou bien par voie manuelle. 25 7) Poêle à accumulation selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les parois du caisson soient côtelées ou travaillées de façon d'agrandir sa surface d'échange afin d'augmenter la diffusion de chaleur dans l'ambiance. 30 35 40