Brevet FR3057650A1 — publié le 20180420

-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 central 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. Leurs principes de fonctionnement ont été brevetés en Amérique ( US 4 406 276 A, Haas Théo, 27 sept 1983) et en France ( FR 641 642 A 7 août 1928, FR 2 522 784 A1, Bekas Frédéric, 9 septembre 1983). - Ces poêles de masse 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. Or, 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, 3057650 -2- l'eau possède une capacité thermique volumique qui est au moins de 40% supérieure à 5 celle de la pierre réfractaire. 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. Ce matériel va absorber les calories des gaz chauds du conduit et les transporter vers les 10 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 par la paroi du caisson), transmission par accumulation, transmission par convection et 15 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 matériaux à forte capacité calorifique. 3) Absorber les calories des gaz brûlés qu'il transporte. 20 4) Transporter ces calories aux parois extérieures. 5) Diffuser (par rayonnement) ces calories dans l'ambiance. Ces fonctions on les retrouve également chez les poêles à accumulation (aussi appelés poêles de masse), mais ils ont tous en commun que le transport des calories est considérablement freiné par l'inertie des matériaux dont ils sont constitués (pierre, 25 béton, brique etc...). La différence c'est qu'ici l'inertie se passe par un fluide. Ceci a pour conséquence que l'accumulation et le transport des calories se trouvent optimalisés, puisqu'elles se font par convection et non plus par conduction. 30 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 ajout transformera le dispositif en « chaudière de masse à fluide». Les dessins annexés illustrent l'invention : 35 - La figure 1 représente un exemple d'un modèle puissant. - La figure 2 représente un exemple d'un modèle d'une puissance moindre. - 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. 40 - La figure 5 représente une variante avec « conduit droit à lamelles ou à ailettes » (une variante droite est plus facile à produire) avec indication du mouvement de convection du fluide et image du conduit en perspective. - La figure 6 représente une variante avec « conduit droit au vis d'Archimède ». 3057650 -3- - La figure 7 représente une variante avec « conduit droit à rondelles » avec image du conduit en perspective. En référence aux dessins 1, 3 et 4, l'appareil de chauffage 5 présenté met en valeur les capacités remarquables de deux matériaux : - pour le métal ferreux la conductivité, la rigidité et l'aptitude au rayonnement, - 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 10 réduire le travail de chauffe et le montant de la facture du combustible. Nous appellerons ce modèle « poêle de masse à fluide ». Il 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 15 vermiculite (20) pour augmenter la température dans le foyer. Le foyer est raccordé à 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 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 20 fait partie intégrante du caisson. Elle le « transperce » dans un but de prolonger le temps de circulation des gaz dans la masse et peut être équipé d'un dispositif de fermeture. Soudée au caisson par le bas, elle en sort librement en haut, enrobée d'un joint type feutre de fibre de verre. 25 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. Il 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 30 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 aussi à la fonction d'élément de refroidissement ou de 35 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 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 40 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 est besoin de le transporter 3057650 -4- L'air entre par une bouche raccordé à l'air extérieur et est préchauffé derrière le foyer 5 (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 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 10 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 caisson (17), on peut déduire les besoins en combustible : du bois sec (branches, bûches, bois de récupération, pommes de pins, dérivés de bois etc...). 15 Le foyer peut être adapté pour une combustion à gaz naturel, au charbon, aux dérivés de déchets, au fuel ou à une combustion mixte. 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 chaleur ou à un réseau hydraulique d'éléments de chauffe (radiateurs, circuits intégrés) 20 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 exceptionnel de l'eau. 25 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 par une chainette ou baguette (9) à un régulateur de tirage mécanique (ou électrique) 30 (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. Une soupape de sécurité sur le circuit de vidange (10) exclut le risque de surpression en 35 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. Il peut être souhaitable de ralentir la vitesse de l'accumulation des calories lorsque la taille de la cheminée ou de la pièce à chauffer est réduite. Dans ce cas il est avisé que le 40 conduit étanche soit en forme d'un tube droit. Il peut être équipé : - soit de «lamelles » (figure 5), de façon à augmenter le coefficient de conductibilité de ce conduit en gardant une vitesse d'accumulation plutôt importante, 3057650 -5- - soit d'un «vis à Archimède » (figure 6), de façon d'obtenir une vitesse d'accumulation limitée, 5 - soit de «rondelles » (figure 7), de façon de réduire encore plus la vitesse d'accumulation des calories. Dans un souci de réduction des coûts de la production, on peut opter pour un conduit étanche en tube droit nu. Dans ce cas, la baisse de rentabilité énergétique peut être compensé par un léger agrandissement du volume du caisson. 10 15 QUELQUES CHIFFRES EN COMPARAISON : - Capacité thermique volumique (en kilojoule par mètre cube en degré Kelvin) pierre volcanique massive: 2500 kJ/m3.°K béton 2250 terre sèche 1350 acier 4130 air 1,25 eau 4200 - Conductivité thermique (en Watt par mètre en degré Kelvin) béton 1,20 w/m.°K eau 0,60 acier 55 - L'augmentation de la température de l'eau peut provoquer une expansion volumique 30 maximale de 4%. 35 20 25 40 3057650 NUMEROTATION CONCERNANT LA FIGURE 4 (en italique : accessoires facultatives) 1 sortie des gaz 2 vide d'expansion avec robinet 3 clapet coupe-tirage manuel 4 circulateur circuit extérieur 5 tiges de renforcement 6 tuyau soudé (ici en spirale) 7 caisson (contenant un fluide) 8 régulateurs de tirage 9 chainette vers clapet 10 soupape de sécurité 11 robinet de vidange 12 tuyau d'évacuation 13 robinet de remplissage 14 clapet d'arrivé d'air 15 circuit des gaz en tourbillon 16 tiroir bac à cendres 17 thermomètre et logo 18 porte foyer 19 porte d'accès 20 panneaux réfractaires 21 retour circuit externe 22 tirage artificiel REVENDICATIONS1) Corps conducteur, faisant également fonction de corps de chauffe, appelé « caisson » comprenant un container, un cylindre ou un récipient quelconque pouvant contenir un fluide à capacité calorique au-delà de 4000 KI /m3.°K. Le caisson (figure 4, référence 7) se caractérise en ce qu'il est transpercé par un conduit étanche (6) destiné au transport de gaz de combustion provenant d'un foyer. Le caisson rempli (7) sert simultanément : - d'abord à l'accumulation des calories contenu dans les gaz de combustion, - puis, au transport de ces calories vers les parois extérieurs, - et enfin, à leur diffusion dans l'air ambiante par radiation douce. Ces trois fonctions on les retrouve chez les poêles à accumulation conventionnelles (aussi appelés poêles de masse), mais ceux-ci ont tous en commun que le transport des calories est considérablement freiné par l'inertie des matériaux dont ils sont constitués. La différence c'est qu'ici l'inertie se passe par un fluide. Ceci a pour conséquence que l'accumulation et le transport des calories se trouvent optimalisés, puisqu'elles se font par convection et non plus par conduction. Le conduit peut être rallongé pour augmenter la surface d'échange thermique (figure 3) ou équipé des prolongements en métal pour augmenter le transport des calories par conduction (figures 5, 6 et 7). Le conduit peut être équipé d'un tirage artificiel (figure 4, référence 22) et d'un dispositif de fermeture (3). Les parois du caisson peuvent être travaillées de façon d'agrandir sa surface d'échange afin d'augmenter la diffusion de chaleur dans l'ambiance. 2) Afin d'augmenter ses prestations, le caisson peut être connecté: - soit à d'autres éléments de chauffage pour une alimentation directe des éléments. - soit via transportation de ses calories vers un échangeur de chaleur. Afin de préchauffer le fluide de son contenu, le caisson peut également être connecté : - soit à des panneaux solaires thermiques. - soit à une source de chaleur électrique, - 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 et de climatisation. 3) Poêle à accumulation, selon une des revendications précédentes, caractérisé par un foyer fermé, semi-fermé ou ouvert. Ce poêle est jumelé à un corps conducteur (caisson) présentant un conduit étanche vertical en forme de spirale. Les gaz brulés montent d'une façon oblique et circulaire dans un circuit prolongé enveloppé par un fluide. Ce fluide est contenu dans un caisson qui : - enveloppe entièrement une cavité perforée située au-dessus qui sert de vase d'expansion, et peut contenir l'excédent de volume du fluide chauffé, 3057650 -7- - enveloppe partiellement le foyer de façon que l'ensemble prenne l'aspect d'un poêle de masse conventionnel (figure 3). 5 4) Poêle à accumulation, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau du caisson et de l'enveloppe du foyer est un métal, de façon que son poids à vide (donc sans fluide à forte capacité calorique) permette sa transportabilité. Le caisson est équipé d'ouvertures de remplissage et de vidange permettant de remplir 10 le réservoir de fluide dès que le poêle est mis en place, et de le vidanger à nouveau s'il est besoin de le transporter (figure 4). 5) Poêle à accumulation selon la revendication précédente caractérisé en ce que le conduit étanche est en forme d'un tube droit afin de ralentir la vitesse de 15 l'accumulation des calories. Ceci peut être souhaitable lorsque la taille de la cheminée ou de la pièce à chauffer est réduite. Le conduit en tube droit peut être équipé : - soit de «lamelles » (figure 5), de façon à augmenter le coefficient de conductibilité de ce conduit en gardant une vitesse d'accumulation plutôt importante, 20 - soit d'un «vis à Archimède » (figure 6), de façon d'obtenir une vitesse d'accumulation limitée, - soit de «rondelles » (figure 7), de façon de réduire encore plus la vitesse d'accumulation des calories. Dans un souci de réduction des coûts de la production, on peut opter pour un conduit 25 étanche en tube droit nu. Dans ce cas, la baisse de rentabilité énergétique peut être compensé par un léger agrandissement du volume du caisson. 6) Poêle ou corps de chauffe selon une des revendications précédentes dont la source de chaleur est alimentée par le bois, les dérivés de bois, le gaz naturel, le 30 charbon, l'électricité ou les dérivés de déchets. 7) Poêle à accumulation (figure 4) 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. 35 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 fermeture complète lorsque le fluide à chaleur massique atteigne la température souhaitée et se rouvre automatiquement dès que la température baisse significativement. 40 Ce dispositif de fermeture du canal d'apport d'air permet de régler la température du caisson par voie thermostatique, ou bien par voie électronique.