Brevet FR3111685A1 — publié le 20211224

Dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à puissance variable jusque 12 KWh destiné à un usage domestique sans raccordement à un conduit d’évacuation des gaz brulés, caractérisé par : - un foyer (a) distinguant deux espaces distincts : un chambre de combustion (b) isolée de toute arrivée d’air parasite, alimentée en air par un conduit d’air motorisé (d) ; et une autre chambre de convection (c) placée par jointoiement direct derrière la chambre de combustion, - un bruleur (k) doté d’une catalyseur (l)d’éthanol dont la particularité est qu’il dispose d’une seule alimentation en oxygène (r) qui répartie, en totalité de sa surface et dans la même direction, le réceptacle d’éthanol (m) au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol (n), - un système d’alimentation en éthanol (f) à débit d’éthanol géré par un asservissement, - un asservissement (r) dédié à gérer les apports en éthanol (n) et en air. Figure de l’abrégé : Fig.1 dispositif de poêle à éthanol doté de deux chambres distinctes : la première de combustion et la seconde de convection, et d’un bruleur à catalyse d’éthanol apte à faire varier la puissance du poêle jusque 12 Kw/h L’invention et relative à un dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à variateur de puissance commandée par l’utilisateur, doté : - de deux chambres distinctes : la première de combustion et la seconde de convection, - d’un bruleur à catalyse d’éthanol apte à faire varier la puissance du poêle jusque 12 Kw/h le dispositif ayant pour intérêt de : - limiter les déperditions de gaz nocif dans un local en deçà des limites tolérées pour un poêle non relié à l’extérieur, - tout en faisant varier sa puissance et sa capacité de convection, par simple action de commande de l’utilisateur, de telle façon que ce dernier maitrise la température de la pièce d’habitation et la régule, tout en offrant des puissances maximales jusqu’à 12 Kw/h. Etat des connaissances : La théorie de combustion des appareils à éthanol conventionnels repose sur une réaction chimique de l’éthanol qui brule et génère du CO2, du CO, du NOX et de l’eau (H2O). La formule de combustion complète de l’éthanol repose sur l’équation : C2H6O+3O 2= co2+H2O. Mais cette approche théorique ne correspond pas à un usage pratique en ce que cette formule ne tient compte que de l’oxygène nécessaire à la combustion dans des conditions parfaites, tandis que la combustion dans l’air ambiant produit d’autres gaz, notamment CO, NOX , qui sont nocifs pour la santé humaine, si bien qu’aucun dispositif connu ne permettait de s’émanciper d’un raccordement en extérieur d’habitat dès lors qu’il s’agit de produire une puissance calorifique à même de chauffer un local à plus de 4,5 Kw. C’est pourquoi la norme NFD 35 386 n’autorise pas des appareils de chauffage à éthanol de puissance supérieure ou égale à 4,5 Kw à l’intérieur de l’habitat. L’état des technologies connues en matière de poêles à éthanol se caractérise par de nombreux brevets, dont les plus significatifs sont des brevets traitant de ce sujet avec des solutions assez sophistiquées plutôt destinées à des appareils industriels de forte puissance et n’apportant pas de solutions satisfaisantes à l’objet de notre recherche. Citons parmi ces brevets qui concernent les problématiques de combustion de l’éthanol en vue d’améliorer les performances de combustion : - Un canadien CA2 766 263 de George Michael EDWARD décrit un appareil destiné à une utilisation domestique de la combustion de l’éthanol pour la cuisson des aliments ou le maintien à température, utilisant la gazéification de l’éthanol, ce qui n’apporte rien de plus sur le plan calorifique, - D’autres brevets, comme Le brevet allemand DE20303677U1, apportent une solution pour améliorer l’esthétique de la flamme dans une cheminée équipée d’un bruleur fonctionnant par exemple au bioéthanol, mais sans aucun effet sur l’apport calorifique ou sur les émanations de gaz, - Le brevet européen EP3211304A1 décrit un appareil de chauffage à éthanol équipé d’une alimentation mécanisée mais n’apportant aucune solution sur les émanations nocives et l’apport calorique. Dans le domaine particulier des poêlés à éthanol domestique d’agrément, un principe couramment développé consiste à placer dans une enceinte un réceptacle, qui fait office de bruleur, qui reçoit de l’éthanol et qui est soumis à combustion, ce qui indique que ce type de technologie rudimentaire n’a ni pour objet ni pour fonction de réguler la production de chaleur ou la réduction de gaz nocifs. Pour tenter de remédier au rejet de gaz nocif, et selon cette technologie de bruleur, il reste alors à protéger au mieux l’enceinte pour éviter aux gaz de se propager, tandis que la puissance est limitée par des réceptacles à taille réduite. D’autres dispositifs moins conventionnels ont été étudiés pour améliorer l’efficacité du bruleur, notamment par la présence d’une technologie par catalyseur (brevet FR 10/00787 dit aussi brevet DELAITE), ce qui augmente la capacité calorifique pour satisfaire à un usage domestique sans évacuation à l’extérieur de l’habitat des fumées. Cette technologie se distingue de celles indiquées plus avant en ce qu’elle ne repose pas sur le fait de bruler directement l’éthanol (comme c’est le cas des autres dispositifs connus), mais elle agit en catalyse de l’éthanol (production d’éthanal et de gaz), ce qui permet d’augmenter le pouvoir calorifique, sans toutefois satisfaire à limiter le rejet des gaz nocifs tels qu’indiqués par les limites normatives. Selon la norme NFD 35 386, la qualité de la combustion en local aéré doit permettre une concentration en CO neutre inférieure à 100 ppm à 1% de CO2. De plus et toujours selon cette norme, la concentration de NOX doit être inférieure à NO En l’état des connaissances, aucun dispositif de poêle à éthanol ne permettait de satisfaire à ces exigences de rejets de gaz nocifs pour des puissances caloriques égales ou supérieures à 4,5 Kw. C’est pour s’émanciper des désagréments de rejets toxiques dans l’air des appareils de chauffage à éthanol, et satisfaire à une utilisation de poêles éthanol de puissance égale ou supérieure à 4,5 Kw sans évacuation des produits de combustion, qu’un brevet a été déposé par le présent demandeur, délivré sous le n° 3082603, relatif à un dispositif d’alimentation en air comburant à débit forcé pour chambre à combustion d’un poêle à éthanol de puissance supérieure à 4,5 KW non raccordé à un conduit d’évacuation des gaz brulés, et répondant aux normes NFD 35 386 de rejet des gaz, le dispositif se caractérisant par : - Un espace de combustion restreint et délimité par des parois en tous points de son périmètre aux fins de contenir la combustion, doté d’un volume proportionnel au volume d’éthanol brulé selon la règle de proportion 1 volume d’éthanol pour 20 volumes de la chambre, qui a pour objet de maitriser la combustion par un apport d’’oxygène en quantité suffisante dans l’espace restreint, le dit espace étant doté d’orifices appropriés pour apporter l’air nécessaire, - Une ou plusieurs ouvertures placées sur le bâti du poêle qui conduit l’air de l’extérieur du poêle vers l’intérieur de l’espace de combustion par l’intermédiaire des orifices d’alimentation en air de l’espace de combustion, - Une ventilation mécanique forcée pilotée par une régulation électronique qui produit à tout instant par une régulation continue la quantité d’oxygène nécessaire à alimenter l’espace de combustion, selon le principe de mise en pression de l’oxygène à l’intérieur de l’espace de combustion. Si ce brevet a alors permis d’améliorer la combustion, des verrous technologiques restent posés pour l’obtention d’un poêle domestique à catalyse d’éthanol à débit variable et commandé par l’utilisateur pour obtenir une température régulée selon ses désidératas à l’intérieur de l’habitation, tout en offrant une puissance importante. Les verrous technologiques posés étant relatifs à la fois : au bruleur à catalyse d’éthanol en lui-même, à la chambre de combustion, et à l’alimentation en éthanol. Le bruleur « DELAITE » est le seul connu dans le domaine des poêles à éthanol domestique faisant appel à la catalyse d’éthanol. Toutefois de par sa conception géométrique, il ne permet pas de de canaliser l’air comburant. En effet ce bruleur reprend un principe de cuvette en « V », le bas de ce « V » faisant cuvette pour recevoir l’éthanol, tandis qu’un catalyseur est placé « de façon vertical au centre de ce « V ». Le principe de combustion du brevet « Delaite » se réalise en deux phases de combustion : a) tout d’abord l’éthanol contenu en bas du « V » est soumis à une combustion primaire dans le but de transformer l’éthanol en état gazeux, b) ensuite l’éthanol transformé en gaz rencontre le catalyseur, ce qui arrache les atomes d’hydrogène et améliore la combustion. Les éléments du bruleur « Delaite » sont conçus en deux ensembles séparés (réceptacle en « V », catalyseur) tandis que l’arrivée d’air comburant ne peut pas être raccordée sur une canalisation étanche de transport de l’air comburant, en raison que cette arrivée d’air intervient des deux côtés du bruleur en « V » dirigée vers l’espace de combustion (bruleur), ce qui indique des sources d’air opposées qui provoquent des turbulences qui sont contraires à un principe de maitrise de la circulation de l’air dans le bruleur. C’est pourquoi l’installation d’un bruleur de type « Delaite » est rendu impossible dans un poêle qui dissocie deux espaces de combustion et de convection, en ce que cette technologie vise à maitriser l’air comburant dans la chambre de combustion, alors que le bruleur « Delaite » empêche cette maitrise du fait des turbulences d’air qu’il engendre. Nous connaissons le principe de chambres de combustion et de convection dissociées dans le domaine de poêles à granulés. En revanche cette technologie n’est pas connue dans le domaine des poêles à éthanol. Le problème posé par l’adaptation de cette technologie dans le domaine des poêles à éthanol est que, le comportement de combustion ayant des caractéristiques physiques et thermiques très différentes de la combustion de granulés de bois, plusieurs facteurs mécaniques (dimensionnels, choix des matériaux) et physiques sont nécessaires à adapter pour concevoir un foyer de combustion adapté à une variation de puissance (le principe de ce poêle étant qu’il soit réglé par l’utilisateur qui maitrise ainsi la température de l’habitation – comme un appareil de chauffage électrique régulé), relié à une chambre de convection permettant le transfert thermique optimum dans toutes les variations de puissances asservies. L’alimentation en éthanol des poêles à éthanol domestiques se libère de façon discontinue, ce qui a pour conséquence que la quantité d’éthanol fournie au bruleur n’est pas à débit constant. En effet nous constatons deux technologies connues relativement à l’alimentation des poêles à éthanol. La première, sur les dispositifs de poêles à éthanol les plus conventionnels, consiste à verser l’éthanol dans un contenant et ensuite allumer directement l’éthanol contenu dans ce récipient. La seconde technologie, très peu diffusée, consiste à faire appel à une pompe d’alimentation qui fournit au fur et à mesure du besoin le combustible. Toutefois cette seconde technologie est limitée en ce que l’apport en éthanol n’est jamais distribué avec un débit égal et continue. Citons par exemple un dispositif employé déjà sophistiqué consistant à munir l’appareil de chauffage de trois réservoirs : le premier contenant la totalité du stock du carburant, le second faisant office de stock tampon qui alimente par gravité un troisième réservoir dit « doseur ». Dans ce cas : la pompe alimente le réservoir tampon selon une principe d’asservissement, puis par gravité le réservoir tampon fournit le doseur selon une régulation par électrovanne commandée par un flotteur qui officie en mode « on/off ». Bien que le système décrit présente une grande évolution dans une tentative de régulation de l’apport en éthanol au bruleur, cette technologie reste antinomique à un débit régulier et continue ; puisque la distribution d’éthanol non linéaire présente un mélange air/éthanol qui n’est optimal que sur une courte période, ce qui engendre des émissions supplémentaires de gaz nocifs et une dégradation de la qualité de la catalyse lorsque la quantité d’éthanol délivrée n’est pas optimale. C’est aux fins d’apporter une solution technologique à tous ces verrous, et satisfaire ainsi à un principe de, que la présente invention est destinée. Présentation de l’invention : l’invention est relative à un dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à puissance variable jusque 12 KWh destiné à un usage domestique respectant les normes de pollution NFD 35 386 sans raccordement à un conduit d’évacuation des gaz brulés, caractérisé par : - un foyer (a) distinguant deux espaces distincts : un chambre de combustion (b) close isolée de toute arrivée d’air parasite, la chambre de combustion (b) étant alimentée en air par un conduit d’air motorisé (d) qui pénètre la chambre et apporte un débit d’air tandis qu’elle est dotée sur sa partie supérieure d’une sortie de fumée de fumée(e); et une autre chambre de convection (c) placée par jointoiement direct derrière la chambre de combustion qui est doté d’un échangeur thermique (p) distribuant dans l’habitation la chaleur produite par la chambre de combustion, par l’intermédiaire d’au moins une ouïe (s) placée sur le périmètre de la chambre de convection (c), - un bruleur (k) doté d’une catalyseur (l)d’éthanol dont la particularité est qu’il dispose d’une seule alimentation en oxygène (r) qui répartie, en totalité de sa surface et dans la même direction, le réceptacle d’éthanol (m) au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol (n), - un système d’alimentation en éthanol (f) à débit d’éthanol géré par un asservissement selon un principe de débit continu variable selon la directive de l’asservissement, placé entre un réservoir d’éthanol (g) et le la chambre de combustion (b), les deux n’étant pas à proximité directe, doté : = d’une pompe à éthanol (h) qui alimente en continue le bruleur (k), = d’un variateur de débit d’air (i) nécessaire à la gestion de la quantité d’oxygène dans l’air - elle-même conditionnée par l’altitude et les conditions atmosphériques où se trouve le poêle, aux fins d’obtenir une qualité de combustion optimale établie à 420°C, - un asservissement (automate doté d’un programme) (r) dédié à gérer les apports en éthanol (n) et en air : l’ asservissement étant informé par une sonde de mesure de température et d’émission de CO et CO2 (j) située à la sortie de fumée(e) dans la chambre de combustion (b), les informations de CO et le CO2 reçues indiquant les rejets constatés et la qualité de combustion près de la sortie de fumée (e), l’asservissement (s) commande à la fois : le système d’alimentation (f) en éthanol et le conduit d’air motorisé (d). Plus particulièrement au conduit d’air motorisé (d) qui pénètre la chambre de combustion (b) et apporte le débit d’air nécessaire, celui-ci est distribué en deux directions très précises : la première est au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol(n), la seconde (p) est placée en hauteur de la chambre de combustion (b) à un niveau (q) fixé entre la moitié et les deux tiers de celle-ci, de façon à alimenter en oxygène la combustion secondaire de la catalyse. Ces alimentations en air s’effectuent par une tuyauterie partant du conduit d’air motorisé (d) pour se terminer : pour le premier sur le réceptacle d’éthanol (m) au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol (n), pour le second à un niveau (q) fixé entre la moitié et les deux tiers de la hauteur de la chambre de combustion (c), de façon à alimenter en oxygène la combustion secondaire produit de la catalyse. Relativement à cet asservissement (r) : si la mesure est en dessous de 420 °C il s’agira d’augmenter les débits d’air et d’éthanol, et inversement si l’on se trouve au-dessus de 420°C, l’asservissement étant régi par l’acquisition de la plus haute température au moindre taux de CO rejeté. Vue en coupe du dispositif avec l’asservissement Vue de côté du foyer avec les deux chambres de combustion et de convection Vue éclatée de la chambre de combustion Vue détaillée du système d’alimentation en éthanol à débit d’éthanol Glossaire : a) foyer b) chambre de combustion c) chambre de convection d) conduit d’air motorisé dans la chambre de combustion e) sortie de fumée dans la chambre de combustion f) système d’alimentation en éthanol g) réservoir d’éthanol h) pompe à éthanol i) variateur de débit d’air j) sonde de mesure de température et d’émission de CO et CO2 k) bruleur l) catalyseur d’éthanol m) réceptacle d’éthanol n) éthanol o) combustion primaire p) seconde direction d’arrivée d’air q) niveau où se place la seconde direction d’arrivée d’air r) asservissements Dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à puissance variable jusque 12 KWh destiné à un usage domestique sans raccordement à un conduit d’évacuation des gaz brulés, caractérisé par : - un foyer (a) distinguant deux espaces distincts : un chambre de combustion (b) close isolée de toute arrivée d’air parasite, la chambre de combustion (b) étant alimentée en air par un conduit d’air motorisé (d) qui pénètre la chambre et apporte un débit d’air tandis qu’elle est dotée sur sa partie supérieure d’une sortie de fumée de fumée(e); et une autre chambre de convection (c) placée par jointoiement direct derrière la chambre de combustion qui est doté d’un échangeur thermique (p) distribuant dans l’habitation la chaleur produite par la chambre de combustion, par l’intermédiaire d’au moins une ouïe (s) placée sur le périmètre de la chambre de convection (c), - un bruleur (k) doté d’une catalyseur (l)d’éthanol dont la particularité est qu’il dispose d’une seule alimentation en oxygène (r) qui répartie, en totalité de sa surface et dans la même direction, le réceptacle d’éthanol (m) au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol (n), - un système d’alimentation en éthanol (f) à débit d’éthanol géré par un asservissement selon un principe de débit continu variable selon la directive de l’asservissement, placé entre un réservoir d’éthanol (g) et la chambre de combustion (b), les deux n’étant pas à proximité directe, doté : = d’une pompe à éthanol (h) qui alimente en continue le bruleur (k), = d’un variateur de débit d’air (i) nécessaire à la gestion de la quantité d’oxygène dans l’air - elle-même conditionnée par l’altitude et les conditions atmosphériques où se trouve le poêle, aux fins d’obtenir une qualité de combustion optimale établie à 420°C, - un asservissement (r) dédié à gérer les apports en éthanol (n) et en air : l’ asservissement étant informé par une sonde de mesure de température et d’émission de CO et CO2 (j) située à la sortie de fumée(e) dans la chambre de combustion (b), les informations de CO et le CO2 reçues indiquant les rejets constatés et la qualité de combustion près de la sortie de fumée (e), l’asservissement (s) commande à la fois : le système d’alimentation (f) en éthanol et le conduit d’air motorisé (d). Dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à puissance variable selon la revendication 1 caractérisé en ce que le conduit d’air motorisé (d) qui pénètre la chambre de combustion (b) et lui apporte le débit d’air nécessaire, est distribué en deux directions très précises : la première est au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol(n) ; la seconde (p) est placée en hauteur de la chambre de combustion (b) à un niveau (q) fixé entre la moitié et les deux tiers de celle-ci, de façon à alimenter en oxygène la combustion secondaire de la catalyse. Dispositif de poêle à catalyse d’éthanol à puissance variable selon la revendication 2 caractérisé en ce que les alimentations en air s’effectuent par une tuyauterie partant du conduit d’air motorisé (d) pour se terminer : pour le premier sur le réceptacle d’éthanol (m) au niveau où se forme la combustion primaire (o) de l’éthanol (n), pour le second à un niveau (q) fixé entre la moitié et les deux tiers de la hauteur de la chambre de combustion (c).