DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à la micro-cogénération d'électricité et de chaleur pour des applications essentiellement domestiques. Le terme de micro-cogénération se réfère principalement à des puissances faibles à modérées, de l'ordre de quelques kilowatts électriques. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif qui s'installe sur une chaudière à biomasse pour puiser son énergie thermique afin à la fois de produire de l'électricité et chauffer l'eau d'un bâtiment.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les besoins croissants en énergie de la population mondiale nécessitent le développement de techniques de plus en plus perfectionnées de production locale d'énergie. Dans ce contexte, la production d'énergie a tendance à devenir de plus en plus décentralisée et à répondre à des besoins en énergie modérés. En effet, la production de puissances électriques de l'ordre de quelques kilowatts pour des applications localisées constitue une alternative intéressante aux centrales électriques de moyenne et grande puissance, notamment dans les sites isolés. Ainsi, l'utilisation de la biomasse fait partie du bouquet énergétique d'aujourd'hui. La biomasse est une ressource abondante composée de matière organique d'origine végétale qui libère de l'énergie chimique lors de sa combustion. L'énergie produite par la combustion de la biomasse est issue d'un processus en deux phases. Dans une première phase, la biomasse est pyrolysée avec production de gaz combustible. Dans une deuxième phase, le carbone résiduel est oxydé dans une réaction exothermique en deux temps : une première transformation en monoxyde de carbone (CO) peu exothermique, et une oxydation du CO en dioxyde de carbone (C0 ₂ ) correspondant à une réaction très exothermique. Les gaz générés lors des deux phases libèrent de l'énergie dans le volume de combustion de la chaudière à biomasse en présence d'oxygène injecté soit à travers le lit de biomasse soit directement dans le volume de combustion des gaz.

Cette chaleur est produite par combustion dans des chaudières à biomasse, qui sont aujourd'hui disponibles sur le marché et qui se déclinent sous plusieurs architectures permettant une optimisation du rendement énergétique. Ces différentes architectures jouent sur les modes de combustion. On peut ainsi citer la combustion montante à tirage naturel ou la combustion inversée à tirage assisté ou forcé. D'autre part, le conditionnement du combustible a permis d'améliorer les performances des chaudières à biomasse. Il est toutefois également nécessaire d'optimiser les techniques de collecte de cette chaleur pour la restituer sous une forme utile, par exemple sous forme d'électricité ou d'eau chaude.

La chaleur issue de la combustion de la biomasse peut avantageusement être collectée en deux temps, par l'utilisation de deux échangeurs placés en série sur le trajet des fumées émises par la chaudière. Ainsi, comme le propose le document US 4 583 495, un premier échangeur placé dans les zones où la combustion de la biomasse a lieu, à des températures voisines de 800°C, permet de vaporiser l'eau d'un circuit relié à un réservoir domestique. Un second échangeur placé en aval du premier échangeur dans une zone où la fumée est à des températures moindres (de l'ordre de 200°C) permet de collecter une quantité supplémentaire de l'énergie thermique émise par la chaudière et de la restituer dans le même réservoir domestique. Le dispositif décrit dans ce document ne comporte cependant pas de moyens efficaces pour la micro-cogénération d'électricité et de chaleur, et constitue une chaudière à biomasse en soi, ne pouvant pas s'adapter à une chaudière à biomasse que l'on trouve dans le commerce.

II existe également des chaudières à biomasse conçues pour la micro-cogénération, comme par exemple celle proposée par Jozef Huzvàr et Patrik Nemec dans « Proposai of heat exchanger in micro-cogeneration unit, configuration with biomass combustion », la référence étant accessible sur le lien suivant :

(htip: y Ywww.mtf. stuha.sk/ 'docs/internetovy^asopis/lOll/mimoriadne^islo/hiizvarj em ec.pdf).

Le dispositif proposé dans ce document est une chaudière à biomasse originale, extrayant la chaleur des zones de forte température à l'aide d'un échangeur pour actionner un moteur générateur de courant et extrayant l'énergie thermique des zones de moindre température à l'aide d'un second échangeur communiquant avec un circuit fluidique de chauffage à l'eau domestique.

Un autre exemple de chaudière à biomasse conçue pour la micro-cogénération est la chaudière Bison commercialisée par la société Exoès (voir, par exemple, http://www.exoes.com/bison/produitphp). Cette chaudière à granulés produit de l'énergie électrique à partir de la combustion de la bio masse grâce à un cycle thermodynamique de Rankine alimenté par la chaleur puisée avec un évaporateur dont la géométrie est pensée pour extraire l'énergie thermique convective dans l'enceinte de la chaudière. L'évaporateur de cette chaudière n'optimise pas l'énergie thermique extraite par le mode de transfert radiatif. L'utilisation de structures absorbant la chaleur transmise par convection dans les fumées pour la restituer sous forme de rayonnement est une pratique avantageuse proposée par exemple dans les documents US 5 365 888, US 4 113 009 et WO 96/41101. Cependant, ces techniques ne sont pas applicables à des chaudières à biomasse domestiques, dans la mesure où ces dernières présentent parfois des géométries conçues pour favoriser les transferts de chaleur par convection, notamment pour les applications de chauffage et pour lesquelles les structures proposées dans ces documents ne se transposent pas directement dans de tels dispositifs.

EXPOSE DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant la micro- cogénération d'électricité et de chaleur pouvant s'installer sur une chaudière à biomasse domestique du type de celles que l'on trouve dans le commerce, en optimisant la portion d'énergie thermique convertie en électricité.

Pour y parvenir, la présente invention a pour objet un dispositif de cogénération d'électricité et de chauffage domestique apte à extraire l'énergie thermique d'une chaudière à biomasse, ladite chaudière à biomasse comportant :

• un foyer,

• une enceinte en contact avec le foyer,

• des cavités sensiblement tubulaires agencées à proximité de la périphérie extérieure de l'enceinte,

le dispositif comportant par ailleurs :

^■ un premier échangeur thermique formant un évaporateur apte à être inséré dans ladite enceinte de ladite chaudière à biomasse,

^■ un générateur d'électricité, apte à produire de l'électricité à partir d'un cycle thermodynamique moteur, ledit générateur d'électricité étant relié audit évaporateur,

^■ un premier circuit fluidique fermé acheminant le fluide sortant dudit évaporateur vers l'entrée dudit générateur d'électricité, et le fluide sortant dudit générateur d'électricité vers l'entrée dudit évaporateur; " un second échangeur thermique, en contact avec lesdites cavités sensiblement tubulaires, situées sur la périphérie extérieure de l'enceinte de ladite chaudière à biomasse, ^■ un second circuit fluidique fermé, formant un circuit de chauffage domestique ledit second échangeur thermique étant connecté audit circuit de chauffage domestique.

Dans ce dispositif, l'évaporateur possède, en regard du foyer, une surface de captation du rayonnement thermique, et possédant sur la périphérie extérieure de l'évaporateur, une couche thermiquement isolante. L'évaporateur forme ainsi un écran thermique entre le rayonnement issu du foyer et les parois de l'enceinte. Plus précisément, la couche thermiquement isolante est interposée entre le premier échangeur thermique et les parois de l'enceinte afin notamment d'isoler thermiquement les deux échangeurs thermiques. La surface de captation du rayonnement inclut une tubulure, décrivant un chemin de circulation du fluide.

Le dispositif proposé par le Demandeur est donc un ensemble d'éléments permettant l'extraction d'une fraction de la chaleur produite à l'intérieur d'une chaudière à biomasse. Une chaudière à biomasse comportant au moins un foyer, et une enceinte entourant le foyer est nécessaire pour accueillir l'évaporateur caractéristique. Cet évaporateur forme un échangeur thermique qui extrait la chaleur transmise via un mode de transfert essentiellement rayonnant dans l'enceinte entourant le foyer de la chaudière à biomasse. En effet, dans cette zone, la combustion de la biomasse nécessite d'avoir une température élevée, comprise généralement entre 500°C et 900°C. A ces températures, les gaz, les poussières et les parois chaudes à l'intérieur de l'enceinte entourant le foyer rayonnent de l'énergie thermique qui est captée par l'évaporateur. La convection est un autre mode de transfert qui participe au transfert thermique vers l'évaporateur, bien qu'il occupe une place moins importante. La géométrie particulière de l'évaporateur, agencé tout autour du foyer de la chaudière permet d'éviter des pertes de rayonnement vers l'extérieur de l'enceinte entourant le foyer, tout en captant de manière optimisée le rayonnement produit au centre de l'enceinte entourant le foyer. La couche thermiquement isolante formée sur la périphérie extérieure de l'évaporateur permet de limiter les fuites radiatives depuis l'enceinte contenant le foyer vers les parois de l'enceinte contenant le foyer. L'évaporateur transmet cette énergie thermique captée au fluide qui le parcourt, ledit fluide pouvant avantageusement passer de l'état liquide à l'état vapeur, pour ensuite actionner un cycle thermodynamique moteur dans un générateur d'électricité. L'invention a donc pour objet essentiellement d'optimiser la part d'énergie électrique produite dans une chaudière à biomasse pour la cogénération d'électricité et de chaleur en optimisant la part d'énergie, essentiellement radiative, transmise à l'évaporateur inséré dans une chaudière à biomasse. Le premier échangeur thermique, le générateur d'électricité et le premier circuit fluidique forment donc un circuit fluidique fermé, permettant de transformer une partie de l'énergie thermique du foyer de la chaudière en électricité. Avantageusement, le premier échangeur thermique est placé dans une zone de la chaudière où la température est élevée, entre 500°C et 900°C, afin d'évaporer un fluide parcourant l'échangeur thermique pour actionner un cycle thermodynamique d'un générateur électrique.

D'autre part, la chaudière à biomasse, sur laquelle le dispositif du Demandeur s'installe, a avantageusement une architecture permettant d'installer un second échangeur sur une zone essentiellement périphérique à l'enceinte entourant le foyer. Dans cette zone, où des cavités sensiblement tubulaires permettent aux fumées produites par la combustion de la biomasse de suivre un parcours les amenant in fine vers le milieu extérieur à la chaudière à biomasse, la température des fumées est moins élevée, et le mode de transfert thermique dominant est la convection. Le second échangeur qui est installé en contact avec les cavités sensiblement tubulaires fait partie d'un second circuit fluidique fermé qui est chauffé par les fumées circulant dans les cavités sensiblement tubulaires. Ces fumées transmettent l'énergie thermique par convection aux parois de l'échangeur, pour élever la température d'un fluide circulant dans le second circuit fluidique fermé et servant au chauffage domestique.

Le premier circuit et le second circuit forment deux circuits fluidiques fermés distincts pour permettre au premier circuit fluidique de générer de l'électricité et au second circuit fluidique de produire du chauffage domestique. Le besoin d'énergie thermique étant différent pour ces deux applications, les deux circuits fluidiques sont avantageusement distincts pour convertir de façon optimale l'énergie thermique produite par la chaudière à biomasse. Le premier échangeur thermique est donc placé dans l'enceinte en contact avec le foyer pour permettre de transférer l'énergie thermique suffisante pour le fonctionnement d'un générateur d'électricité. Le second échangeur thermique est placé à l'extérieur et à la périphérie de l'enceinte pour apporter l'énergie thermique nécessaire à un chauffage domestique. Plus précisément, le premier échangeur thermique est en contact avec une zone dont la température est généralement comprise entre 500°C et 900°C, le second échangeur thermique est en contact avec des zones où la température de la fumée avoisine les 200°C. Une couche thermiquement isolante est avantageusement interposée entre les deux échangeurs thermiques afin de maintenir cette différence de température entre les échangeurs.

Selon un mode de réalisation particulier, la tubulure de l'évaporateur est configurée selon un hélicoïde à spires jointives. Cette géométrie particulière de l'évaporateur permet d'encercler le pourtour intérieur de l'enceinte entourant le foyer, et ainsi d'optimiser la part d'énergie thermique transmise par rayonnement à l'évaporateur. Les spires étant jointives, la surface totale que l'évaporateur occupe sur les parois latérales de l'enceinte entourant le foyer est augmentée, et les fuites radiatives depuis l'enceinte entourant le foyer et entre les spires formant Phélicoïde sont fortement réduites. Il est toutefois possible que les spires ne soient pas totalement jointives, les fuites radiatives vers l'extérieur de l'enceinte contenant le foyer étant limitées par la présence d'une couche thermiquement isolante sur la périphérie extérieure de l'évaporateur.

Selon un autre mode de réalisation, l'évaporateur est l'assemblage d'au moins une plaque métallique sensiblement cylindrique ondulée sur une plaque métallique sensiblement cylindrique, les ondulations de la plaque métallique sensiblement cylindrique ondulée définissant un chemin de circulation du fluide sur la périphérie intérieure de l'évaporateur.

Cette géométrie particulière de l'évaporateur permet d'encercler le pourtour intérieur de l'enceinte entourant le foyer, et ainsi d'optimiser la part d'énergie thermique transmise par rayonnement à l'évaporateur. La plaque métallique sensiblement cylindrique peut par exemple être une tôle. La tôle non ondulée forme un écran thermique ne laissant pas passer le rayonnement par les creux formés par la tôle ondulée. Ainsi les fuites radiatives depuis l'enceinte entourant le foyer sont fortement réduites. En définitive, ce mode de réalisation particulier présente sensiblement les mêmes avantages qu'un hélicoïde à spires jointives. Il peut présenter en outre une liberté plus grande en termes de conception : il peut par exemple conduire à la réalisation de formes plus avantageuses pour le transfert thermique et/ou la tenue mécanique de l'évaporateur et/ou son coût de fabrication. Un mode de fabrication par hydroformage peut notamment répondre à ces critères.

Notamment, la chaudière peut comprendre une structure formant un écran thermique possédant avantageusement une forme de jupe, dans le prolongement de l'évaporateur, la jupe étant solidaire de l'évaporateur et étant disposée sur l'une des extrémités de l'évaporateur.

Cet écran thermique permet d'une part de participer au maintien d'une température plus élevée dans l'enceinte entourant le foyer, ce qui permet de mieux brûler le combustible biomasse, et permet d'autre part d'augmenter la proportion d'énergie thermique transmise à l'évaporateur.

Selon un mode de réalisation, la chaudière à biomasse comprend également une structure métallique tabulaire formant une virole positionnée au-dessus du foyer.

Différentes architectures de chaudière à bio masse conviennent pour l'installation du dispositif formant l'invention. Les chaudières à bio masse qui comprennent une virole au-dessus du foyer permettent d'améliorer la combustion dans l'enceinte entourant le foyer en contraignant le flux des fumées issues de la combustion de la biomasse. D'autre part, une telle virole participe à l'émission de chaleur par rayonnement, du fait de sa température élevée. Le rayonnement de la virole est ainsi transmis à l'évaporateur, participant à une optimisation de la proportion d'énergie thermique de la chaudière à biomasse transmise à l'évaporateur pour alimenter le générateur d'électricité.

Selon un mode de réalisation particulier, la couche thermiquement isolante de l'évaporateur peut être une couche réalisée à partir d'un matériau fibreux.

L'isolation de la surface formant le pourtour extérieur de l'évaporateur est préférable pour éviter que les parois de l'évaporateur ne transmettent une partie de la chaleur emmagasinée par ces parois vers la paroi de l'enceinte entourant le foyer. L'énergie thermique qui serait transmise vers la paroi de l'enceinte entourant le foyer ne participerait pas à l'élévation de la température du fluide circulant dans l'évaporateur, et serait donc considérée comme perdue. En isolant thermiquement la surface formant le pourtour extérieur de l'évaporateur, de telles pertes thermiques n'ont pas lieu. L'utilisation de fibres, comme la laine de roche, ou bien d'un matériau rigide comme la fibre céramique, répondent avantageusement au besoin d'isolation thermique formulé ci-avant. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comporte un élément métallique formant un voile rayonnant disposé au moins partiellement en regard de la surface intérieure de l'évaporateur.

L'utilisation d'un voile rayonnant apporte plusieurs avantages. D'une part, à température élevée, par exemple lorsque la chaudière à biomasse fonctionne, ce qui correspond à des températures typiquement comprises entre 500°C et 900°C, le voile rayonnant réémet de la chaleur par rayonnement, chaleur qui est absorbée au moins en partie par l'évaporateur. D'autre part, le voile rayonnant peut par sa géométrie particulière participer à une stabilisation de la température dans l'enceinte entourant le foyer. La température dans l'enceinte entourant le foyer varie lorsque le taux de comburant (oxygène) fluctue dans le foyer. Lorsque le taux de comburant augmente, la température diminue, et la convection devient un mode de transfert thermique de plus en plus important dans les échanges de chaleur dans l'enceinte entourant le foyer. Le voile rayonnant capte cette énergie thermique par convection, et la restitue par rayonnement, ce rayonnement étant absorbé au moins en partie par l'évaporateur.

Selon un mode particulier de réalisation, le voile rayonnant comporte un ensemble de plaquettes métalliques sensiblement rectangulaires disposées en cercle et perpendiculairement au périmètre dudit cercle.

Selon un mode particulier de réalisation, les plaquettes du voile rayonnant sont toutes reliées par deux anneaux métalliques, ces anneaux étant en contact avec deux extrémités diamétralement opposées de chacune desdites plaquettes, lesdites plaquettes comprenant deux bandes diamétralement opposées partiellement découpées sur deux côtés opposés de ladite plaquette et pliées suivant des sens opposés.

Ces géométries particulières du voile rayonnant sont conçues de manière à optimiser l'absorption de l'énergie thermique par convection des fumées dans l'enceinte entourant le foyer et à proximité du voile rayonnant.

Selon un autre mode de réalisation, le premier circuit fluidique fermé est muni d'un moyen apte à actionner un mécanisme de contournement du générateur d'électricité.

Ce mécanisme de contournement assure le maintien de l'écoulement dans le premier circuit fluidique en cas de panne du générateur d'électricité et/ou dans les phases de démarrage et/ou d'arrêt dudit générateur d'électricité. Par ailleurs, ce mécanisme de contournement peut avantageusement être piloté à distance et de manière automatique en cas de panne ou de problème sur l'appareil servant de générateur d'électricité selon un cycle thermodynamique moteur.

Selon un autre mode de réalisation, le premier circuit fluidique fermé comprend un condenseur relié au générateur d'électricité, apte à échanger la chaleur résiduelle en sortie du générateur d'électricité avec le circuit de chauffage domestique. Cette énergie thermique peut aussi être restituée dans le circuit de chauffage domestique, que ce soit dans un réservoir d'eau chaude ou à tout autre endroit du circuit de chauffage domestique. Selon un autre mode de réalisation, le premier circuit fluidique fermé comprend un condenseur relié au générateur d'électricité, apte à échanger la chaleur résiduelle en sortie du générateur d'électricité avec un troisième circuit fluidique fermé.

L'utilisation d'un condenseur permet de récupérer l'énergie thermique résiduelle en sortie de l'appareil servant de générateur d'électricité selon un cycle thermodynamique moteur. Cette énergie thermique est ainsi transférée à un troisième circuit fluidique fermé, ladite énergie thermique pouvant ensuite être réutilisée ailleurs selon les besoins de l'utilisateur. Selon un autre mode de réalisation, le troisième circuit fluidique fermé comprend un échangeur récupérateur en contact avec le circuit de chauffage domestique.

Dans ce mode particulier de réalisation, l'énergie thermique résiduelle récupérée dans le troisième circuit fluidique fermé est restituée au second circuit fluidique de chauffage domestique pour chauffer d'avantage le fluide circulant dans ce circuit.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une chaudière à biomasse munie d'un dispositif de micro-cogénération d'électricité et de chaleur faisant apparaître trois circuits de circulation de fluides, selon un premier mode de réalisation ; et

la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un évaporateur muni d'une jupe formant écran thermique ; et

la figure 3 est une vue en perspective d'un voile rayonnant ; et

- la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une chaudière à biomasse équipée du dispositif de micro-cogénération d'électricité et de chaleur de l'invention selon le premier mode de réalisation de l'invention ; et la figure 5 est une représentation schématique d'un agencement possible des circuits fluidiques d'une chaudière à biomasse équipée du dispositif de micro- cogénération d'électricité et de chaleur de l'invention selon un second mode de réalisation de l'invention ; et

- la figure 6 est une représentation schématique d'un agencement possible des circuits fluidiques d'une chaudière à biomasse équipée du dispositif de micro- cogénération d'électricité et de chaleur de l'invention selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et

la figure 7 est une vue en perspective schématique d'un évaporateur selon un quatrième mode de réalisation, et

la figure 8 est une vue en coupe schématique d'une chaudière à biomasse équipée du dispositif de micro-cogénération d'électricité et de chaleur de l'invention selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et la figure 9 est une vue en coupe schématique d'une chaudière à biomasse équipée du dispositif de micro-cogénération d'électricité et de chaleur de l'invention selon un sixième mode de réalisation de l'invention.

Certains éléments de ces figures ont été agrandis pour faciliter leur compréhension et ne sont par conséquent pas à l'échelle.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Il va à présent être décrit un dispositif pour la micro-cogénération d'électricité et de chaleur pouvant s'installer sur une chaudière à biomasse domestique.

Le dispositif, tel qu'illustré à la figure 1, comporte une chaudière à biomasse domestique du type de celles que l'on trouve dans le commerce. L'architecture de chaudière représentée sur la figure 1 est celle d'une chaudière du type à chaleur montante à tirage forcé, mais le dispositif proposé peut également s'adresser à d'autres architectures de chaudière à condition de posséder les éléments qui sont présentés ci- après.

La chaudière de la figure 1, représentée schématiquement en coupe, possède un conduit 1 permettant d'acheminer le combustible biomasse (pellet, bois, matière organique) ainsi que de fournir une arrivée d'air 2, formant une source de comburant (oxygène), et donc d'oxygène au foyer 3 de la chaudière dans lequel combustible et comburant (oxygène) permettent de générer les réactions exothermiques. Une virole 4 placée au-dessus du foyer 3, confine la combustion de la biomasse et permet de contraindre suivant un axe sensiblement vertical l'écoulement de la fumée et des gaz qui s'échappent du foyer 3 lorsque la chaudière fonctionne. En fonctionnement, les fumées de la chaudière s'échappent du foyer 3 pour séjourner à l'intérieur d'une enceinte 5 dans laquelle les réactions exothermiques se poursuivent. Cette enceinte 5 est fermée sur sa partie supérieure par un couvercle 23 rendant l'enceinte 5 thermiquement isolée. Le temps de séjour des fumées dans l'enceinte 5 est suffisamment long pour permettre une combustion complète de la biomasse. Par ailleurs, l'absence de convection sur des surfaces froides permet d'éviter un refroidissement local important des gaz pouvant nuire à l'efficacité de la combustion. En conservant une température élevée, typiquement comprise entre 500°C et 900°C, les réactions exothermiques peuvent perdurer jusqu'à leur terme, c'est-à-dire qu'une grande partie de l'énergie chimique de la biomasse peut être extraite, augmentant ainsi l'efficacité de la chaudière. L'enceinte 5 possède dans sa partie inférieure, à proximité du foyer 3, des ouvertures formant un passage 10 permettant à la fumée de s'échapper.

Par fumées, on entend aussi bien les gaz combustibles produits par la pyrolyse de la biomasse et l'oxydation du carbone résiduel que les gaz brûlés contenus dans la chaudière.

Sous l'enceinte 5, les fumées produites par la combustion de la biomasse passent par une seconde enceinte avant de remonter par des cavités sensiblement tubulaires 11 pouvant avantageusement être cylindriques ou constituer un anneau tubulaire, réparties sur au moins une partie de la circonférence de la chaudière. Ces cavités 11 ne sont pas en contact direct avec les parois extérieures de l'enceinte 5. En effet, les cavités 11 peuvent et sont préférentiellement elles-mêmes entourées d'une cavité vide dans laquelle un fluide peut circuler. Cet ensemble de cavités peut servir à définir un échangeur 12. La fumée remonte le long de ces cavités 11 pour atteindre une troisième enceinte 13 dans la partie supérieure de la chaudière, qui peut avantageusement comporter des moyens de ramonage 24 du goudron et des poussières se déposant inévitablement dans cette partie de la chaudière, ainsi que sur les parois des cavités 11.

Des moyens de ventilation 14 sont placés sur la sortie du trajet des fumées issues de la combustion de la biomasse, et ce afin d'imposer un sens de circulation auxdites fumées. Il ressort d'après la description qui vient d'être faite du trajet de la fumée produite par la chaudière à biomasse que cette fumée suit un parcours sinueux depuis le foyer 3 jusqu'à la troisième enceinte 13. Ce type de trajet permet de séparer les zones où la température de la fumée est élevée (avoisinant les 700 °C près du foyer 3), des zones où la température de la fumée est plus modérée (avoisinant les 200°C dans les cavités 11). D'autre part, en allongeant ainsi le trajet que suit la fumée, le gradient de température de ladite fumée dans la chaudière est plus faible et permet d'éviter des variations brutales de température, tout en diminuant la température de la fumée en sortie de la chaudière. L'ensemble des éléments décrits jusqu'à présent sont spécifiques à un type particulier de chaudière, présente dans le commerce, et compatible avec le dispositif qui constitue l'invention décrit ci-après. Il est également possible d'adapter le dispositif de l'invention à d'autres architectures de chaudière, à condition qu'elles contiennent l'essentiel des éléments qui viennent d'être présentés. En particulier, et à titre d'exemple, il est possible d'installer l'invention sur des chaudières à biomasse à combustion inversée à tirage forcé ou non.

Comme représenté sur la figure 1, et selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte 5 d'une chaudière à biomasse telle que décrite ci-avant, est équipée d'un premier échangeur thermique 6 aussi appelé évaporateur, faisant partie intégrante d'un circuit fluidique fermé 100. L' évaporateur 6 comporte un tuyau réalisé dans un matériau possédant de bonnes propriétés de conduction mécanique et thermique, enroulé de manière à former un hélicoïde à spires jointives, décrivant un chemin de circulation sur une surface destinée à être disposée en regard du foyer 3 et/ou de la virole 4, et au moins partiellement en contact avec les parois de l'enceinte 5. Un schéma détaillé d'un évaporateur 6 selon ce mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 2. Il se peut dans un mode de réalisation alternatif que les spires de l'évaporateur 6 décrit ci-avant ne soient pas jointives. Il est également envisageable de réaliser un évaporateur 6 possédant une géométrie différente, de manière par exemple à s'adapter à la taille et la forme de l'enceinte 5 de la chaudière à biomasse. Dans l'intérêt d'une meilleure collecte de l'énergie thermique il est avantageux de fabriquer un évaporateur 6 ayant une surface et un facteur de forme maximisant les échanges de chaleur tout en ne modifiant que de façon marginale la circulation de la fumée et des gaz dans l'enceinte 5. En particulier, il est possible d'adapter la surface totale occupée par l'évaporateur dans l'enceinte 5 pour extraire une fraction plus ou moins importante de l'énergie thermique rayonnante. Plus la surface occupée par l'évaporateur 6 est grande dans l'enceinte 5, plus la portion d'énergie thermique convertie en électricité dans la chaudière à biomasse pour la micro-cogénération sera importante. Le tuyau de l'évaporateur 6 est conçu de manière à faire circuler un fluide à l'intérieur dudit tuyau, et résister aux pressions pouvant être élevées d'un gaz pouvant circuler dans le tuyau. Du fait de sa petite taille, l'évaporateur 6 ne nécessite pas d'homologation spécifique et ne présente pas de risque particulier émanent de la présence éventuelle de gaz à haute pression dans le tuyau constituant l'évaporateur 6. Des connexions sont prévues pour raccorder les extrémités du tuyau de l'évaporateur 6 au circuit fluidique fermé 100. D'autre part, la chaudière peut comprendre également une jupe 7, solidaire de l'évaporateur 6 et disposée dans le prolongement de la structure hélicoïdale à spires jointives formée par le tuyau. Cette jupe 7 sert d'écran radiatif de manière à éviter une perte de la chaleur à l'intérieur de l'enceinte 5 par rayonnement sous l'évaporateur 6. En effet dans cette zone, le rayonnement de la virole 4 peut s'échapper de l'enceinte 5 sans transférer de chaleur au fluide de l'évaporateur 6. La jupe 7 faisant écran radiatif permet de renvoyer cette énergie thermique vers l'enceinte 5 ce qui contribue à ne pas abaisser inutilement la température de l'enceinte 5 et donc favoriser une meilleure combustion de la bio masse et garantir une température plus élevée dans l'enceinte 5.

Selon un autre mode de réalisation de l'évaporateur 6, représenté sur la figure 7 l'évaporateur 6 peut être l'agencement d'au moins deux plaques métalliques ou d'au moins deux tôles. Ces tôles peuvent être soudées l'une à l'autre de manière à décrire un circuit, et l'injection d'un fluide sous pression dans l'espace non soudé entre les deux tôles permet par hydroformage de créer des ondulations dans l'espace entre les deux tôles définissant ainsi un trajet tubulaire de circulation pour un fluide, sur l'intégralité de la surface formée par la tôle définissant la paroi extérieure de l'évaporateur 6. Selon ce mode de réalisation, l'évaporateur 6 ne laisse apparaître, comme dans le cas de l'hélicoïde à spires jointives, aucune ouverture traversante pouvant laisser s'échapper de l'énergie thermique par rayonnement entre deux ondulations de la tubulure définissant le chemin de circulation du fluide. D'autre part, la tôle définissant la paroi extérieure de l'évaporateur peut avoir des propriétés d'isolation thermique.

Comme indiqué sur les figures 1, 4, 8 et 9, l'évaporateur 6, 60, 600, comprend une couche d'isolant thermique 8, 80, 800, disposée sur la périphérie extérieure de l'évaporateur 6, 60, 600, interposée entre les parois de l'enceinte 5, 50, 500 et l'évaporateur 6, 60, 600. Cet isolant thermique 8, 80, 800 permet lui aussi d'éviter des pertes de chaleur par rayonnement vers l'extérieur de l'enceinte 5, 50, 500 à partir de l'évaporateur 6, 60, 600. Ainsi, l'énergie thermique transmise par rayonnement est utilisée plus efficacement dans l'enceinte 5, 50, 500. Cette couche thermiquement isolante 8, 80, 800, permet notamment d'obtenir moins de 20% de perte en énergie thermique captée par l'évaporateur 6, 60, 600. Elle peut être fibreuse, et comporter de la laine de roche ou de la fibre céramique par exemple. Elle peut également être rigide, en comportant un matériau céramique. On peut aussi envisager de la réaliser par projection d'alumine sur la périphérie extérieure de l'évaporateur 6, 60, 600. Selon un exemple particulier, une couche en fibre céramique de 15 mm d'épaisseur est utilisée. Elle a une conductivité thermique de l'ordre de 0,1 Watt/m/°C. La jupe 7 et la couche d'isolant 8 sont des éléments utiles à l'optimisation des modes de transfert thermique dans l'enceinte 5 vers l'évaporateur 6. En permettant de maintenir la température dans l'enceinte 5 élevée sans déperdition de chaleur vers l'extérieur de l'enceinte 5, ces éléments permettent une augmentation de la température d'une valeur voisine de 100°C, pour atteindre jusqu'à 900°C dans une chaudière à biomasse domestique. Une telle température permet d'une part d'augmenter l'émission de rayonnement, et donc de privilégier d'avantage ce mode de transfert thermique dans l'enceinte 5 vers l'évaporateur 6. Ainsi, les particules à haute température de la fumée produite par la combustion de la biomasse dans l'enceinte 5, les parois de la virole 4, les parois de l'évaporateur 6 et les gaz dits participatifs (comme par exemple le monoxyde de carbone et la vapeur d'eau), rayonnent de l'énergie qui est au moins en partie transmise in fine au fluide circulant dans l'évaporateur 6. Le rayonnement est le mode de transfert thermique dominant dans l'enceinte 5 et il présente en plus l'avantage d'extraire l'énergie thermique du volume entier de la fumée, des gaz et particules présentes dans l'enceinte 5, et non seulement l'énergie des gaz et particules en contact direct avec les parois de l'évaporateur 6. Les deux autres modes de transfert thermique, à savoir la conduction et la convection sont eux aussi mis en œuvre pour chauffer le fluide de l'évaporateur 6. La circulation, bien que réduite et fortement contrainte, de la fumée à l'intérieur de l'enceinte 5, permet d'assurer une homogénéisation de la température dans l'enceinte 5 et donc contribuer au transfert thermique par convection. Le mode de transfert thermique principal mis en œuvre dans l'évaporateur 6 entre le tuyau métallique formant un hélicoïde à spires jointives et le fluide circulant dans ledit tuyau est la conduction dans le matériau formant ledit tuyau. Une température élevée dans l'enceinte 5, privilégiant le transfert thermique par rayonnement, procure un autre avantage technique considérable qui est celui de réduire de manière conséquente l'encrassement des parois de l'enceinte 5 et de l'évaporateur 6. En effet, des températures plus basses favorisent le dépôt de goudron, poussières et autres substances qui augmentent, en se déposant, la résistance thermique des différents éléments présents dans l'enceinte 5, diminuant le rendement énergétique de la chaudière à biomasse. Grâce aux améliorations apportées par la présente invention, il n'est pas nécessaire de prévoir un ramonage régulier de l'enceinte 5. Outre une température plus élevée et plus homogène que dans des chaudières non équipées du dispositif de l'invention, la dimension réduite des surfaces constituant l'enceinte 5 et leur forme simple qui ne présente pas d'aspérités particulières, contribue elle aussi à réduire l'encrassement dans cette dernière. L'enceinte 5 est avantageusement une cavité, dont le seul exutoire thermique pour l'énergie radiative, à l'exception de la sortie des fumées, est l'évaporateur 6 et dans laquelle toutes les parois sont isolées thermiquement. II est également avantageux d'avoir une surface de contact réduite entre les fumées à haute température et les parois et éléments à basse température présents dans l'enceinte 5 de manière à ne pas subir de perte de chaleur par convection (et a fortiori par conduction dans les parois) et ce sans que cette chaleur ne soit transmise à l'évaporateur 6 et donc sans qu'elle ne soit récupérée par la suite. Le mode de transfert thermique par convection est cependant également mis en œuvre et permet de transférer de la chaleur au contact de l'évaporateur 6, grâce à la circulation de la fumée, des gaz et particules dans l'enceinte 5.

Il est possible d'optimiser d'avantage le transfert de chaleur par rayonnement en plaçant autour de la virole 4 située au-dessus du foyer 3, un second dispositif formant un voile rayonnant 9. Ce voile rayonnant 9 tel que représenté sur la figure 3, se présente sous la forme d'un ensemble de plaquettes 92 agencées sur le périmètre d'un cercle, chaque plaquette 92 étant disposée perpendiculairement audit cercle, et lesdites plaquettes 92 étant toutes maintenues à leurs extrémités supérieure et inférieure par deux structures annulaires métalliques 91, reliant les plaquettes 92 par des extrémités diamétralement opposées. Comme représenté sur la figure 3, les plaquettes 92 possèdent avantageusement des bandes 93 partiellement découpées dans lesdites plaquettes 92 à proximité de deux extrémités opposées desdites plaquettes 92, et pliées suivant des sens opposés de manière à générer des mouvements de convection de la fumée dans la partie inférieure de l'enceinte 5. Cette géométrie particulière de voile rayonnant 9 permet de créer une circulation de fumée favorisant le transfert par convection de la chaleur vers le voile rayonnant 9. L'absorption de cette chaleur par le voile rayonnant 9 élève la température de ce dernier qui réémet de l'énergie thermique par rayonnement en partie vers l'évaporateur. D'autres géométries sont envisageables pour constituer un voile rayonnant 9, et leur fabrication est aujourd'hui bien documentée dans l'art antérieur. Le voile rayonnant 9 remplit par ailleurs d'autres fonctions intéressantes. Sa température étant plus élevée que celle de l'évaporateur 6, les gaz de la fumée en contact avec le voile rayonnant 9 restent à des températures suffisantes pour que la combustion se poursuive dans l'enceinte 5 ce qui a entre autres pour effet de réduire d'avantage l'encrassement dans cette partie de l'enceinte 5. La forme du voile rayonnant peut être optimisée de manière à favoriser un bon mélange entre combustible et comburant (oxygène), de manière à améliorer d'avantage le rendement de la chaudière. Par ailleurs, le voile rayonnant joue un rôle stabilisateur sur la température à l'intérieur de l'enceinte 5. En effet, les variations de concentration dans le mélange combustible/comburant provoquent des changements de température dans la chaudière, dans la mesure où une concentration plus élevée d'oxygène (comburant) diminue la température de combustion et donne lieu à une diminution du transfert radiatif. Lorsque la concentration en oxygène augmente, la convection dans l'enceinte 5 augmente également du fait du volume de fumée plus important. Grâce au voile rayonnant 9, cette augmentation de la convection contribue à élever d'avantage la température du voile rayonnant qui retransmet cette chaleur par rayonnement à l'évaporateur 6. La chaleur, issue de la combustion de la biomasse, et collectée dans l'enceinte 5 par le fluide circulant dans l'évaporateur 6, permet d'effectuer un changement de phase liquide/gaz du fluide circulant dans l'évaporateur 6. Il est également possible de simplement élever la température du liquide circulant dans l'évaporateur 6 sans induire nécessairement de changement de phase, bien que cela ne soit pas un mode privilégié de fonctionnement du dispositif. Le gaz sous pression généré par ce transfert de chaleur dans l'évaporateur 6 transite ensuite selon le circuit fluidique fermé 100 d'abord en remontant le long de l'évaporateur 6 vers un générateur d'électricité fonctionnant avantageusement suivant un cycle thermodynamique moteur de type Rankine 16. Le gaz sous pression permet de démarrer un cycle de Rankine dans ce générateur d'électricité 16, qui génère de l'électricité en actionnant un alternateur. Cette électricité est ensuite transférée à un réseau électrique 17, ou bien stockée dans une batterie ou tout autre dispositif de stockage de l'énergie électrique prévu pour cet effet. Le gaz de température et de pression moindres en sortie du générateur d'électricité 16 est ensuite envoyé vers un condenseur 18 agissant comme un échangeur thermique. Comme représenté sur la figure 1, la vanne 15 permet de configurer le circuit fluidique fermé 100 selon deux positions, à savoir : une première position de la vanne 15 relie l'évaporateur 6 au générateur d'électricité 16, et une seconde position de la vanne 15 relie l'évaporateur 6 directement au condenseur 18 sans passer par le générateur d'électricité 16. Ce basculement d'une position à l'autre peut être actionné automatiquement en cas de défaillance du générateur d'électricité 16 ou lors des phases d'arrêt et démarrage. Par ailleurs, d'autres moyens de contournement du moteur qu'une vanne 15 sont envisageables. En particulier, un dispositif dit de « by-pass » peut être envisagé. Comme indiqué sur la figure 1, le circuit fluidique fermé 100 comprend une pompe de relevage 19 reliant le condenseur 18 à l'évaporateur, assurant une circulation continue du fluide dans le circuit fluidique fermé 100, et permettant de maintenir une pression adéquate du fluide en amont du générateur d'électricité 16. En suivant le trajet qu'emprunte la fumée dans la chaudière, et comme représenté sur les figures 1 et 4, les gaz, particules et autres émissions dues à la combustion de la bio masse circulent depuis l'enceinte 5 par les ouvertures formant un passage 10 vers une seconde enceinte située sous l'enceinte 5 puis vers les cavités 11 situées autour de l'enceinte 5 et sur au moins une partie de la circonférence de la chaudière à biomasse. Tel que représenté sur la figure 1, un second circuit fluidique 200 jouxte les parois formées par les cavités 11. Ce circuit fluidique 200 correspond par exemple au chauffage à eau d'un bâtiment. Il peut, par exemple, comporter des moyens de chauffage domestique, comme par exemple des radiateurs 22. Les sections de ce second circuit fluidique 200 en contact avec les parois des cavités 11 forment un second échangeur 12. La température des fumées dans les conduits 11 étant de l'ordre de 200 °C, le mode principal de transfert de chaleur dans ce second échangeur 12 est non pas le rayonnement mais la convection de la fumée dans les conduits 11, suivie par une conduction de la chaleur dans les parois du second échangeur 12. Du fait des températures moindres de l'ordre de 200°C qui régnent dans les conduits 11, les parois de ces conduits sont manifestement plus enclins à subir un encrassement que l'enceinte 5. Pour cette raison, il est avantageux de prévoir des moyens de ramonage 24 des conduits 11, qui peuvent par exemple être disposés dans l'enceinte 13 située sur la partie supérieure de la chaudière à biomasse.

Une telle disposition pour le second circuit fluidique 200 a été expérimentalement validée comme permettant d'optimiser la proportion d'énergie électrique produite à partir de la chaleur extraite de la combustion de la biomasse. En effet, il est recommandé d'extraire l'essentiel de la chaleur générée par la combustion de la biomasse par un mode de transfert rayonnant dans l'enceinte 5, ce qui implique entre autres d'avoir un ratio surface sur volume faible, et puiser l'énergie thermique restante par un mode essentiellement convectif de transfert de chaleur dans une zone de moindre température, ce qui implique d'avoir un ratio surface sur volume élevé. La conversion d'énergie thermique en énergie électrique est ainsi optimisée, et l'écart en température entre les fumées à environ 200°C dans les conduits 11 d'une part et le fluide circulant dans le second circuit fluidique 200 d'autre part, est suffisant pour chauffer efficacement un bâtiment. Par ailleurs, la surface de contact entre la fumée circulant dans les conduits 11 et les parois dudit conduit 11 est plus importante que dans l'enceinte 5, ce qui est pertinent pour favoriser un échange de chaleur s'appuyant sur la convection.

Comme indiqué sur la figure 1, l'invention peut également comporter un troisième circuit fluidique fermé 300, qui permet de réutiliser l'énergie thermique résiduelle en sortie du générateur d'électricité 16 dans le condenseur 18 pour la réinjecter dans le second circuit fluidique 200 via un échangeur récupérateur 21. Ainsi, le condenseur 18 sert d'interface entre le premier circuit fluidique fermé 100 et le troisième circuit fluidique fermé 300, tandis que l'échangeur récupérateur 21 sert d'interface entre le troisième circuit fluidique fermé 300 et le second circuit fluidique 200. Le troisième circuit fluidique fermé 300 peut être parcouru par un fluide possédant une forte capacité calorifique, par exemple de l'eau. Par ailleurs, pour faciliter la circulation de ce fluide dans ce troisième circuit fluidique fermé 300, ce dernier peut avantageusement comprendre une pompe 20. Cette récupération de l'énergie thermique résiduelle en sortie du générateur d'électricité 16 permet d'obtenir des rendements en cogénération sensiblement égaux aux rendements obtenus dans des systèmes de chauffage sans dispositifs de cogénération.

Le mode de réalisation privilégié de l'invention qui vient d'être décrit peut comporter des variantes sans toutefois s'éloigner de l'idée générale de l'invention. Par exemple, l'architecture de la chaudière domestique sur laquelle le dispositif s'installe peut être sensiblement différente dans sa forme, ses dimensions et son mode de combustion.

La figure 8 présente, à titre d'exemple non limitatif, une variante de chaudière à biomasse pour la micro-cogénération d'électricité et de chaleur dans laquelle l'agencement des différents éléments présentés ci-avant diffère sensiblement d'une chaudière à biomasse à chaleur montante à tirage forcé. Ainsi, sur cette figure 8, les fumées suivent un parcours sinueux depuis le foyer 30 vers le moyen de ventilation 140 donnant sur l'extérieur. Dans cette configuration, l'échangeur 120 associé au circuit de chauffage domestique 200, est réparti aussi bien sur la périphérie extérieure de l'enceinte 50, qu'à distance de cette enceinte, au voisinage de l'embouchure de sortie des fumées. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 8, la chaudière à biomasse pour la micro-cogénération ne contient pas de virole autour du foyer 30, mais une enceinte en matériaux réfractaires 40. Cette enceinte 40 remplit les mêmes fonctions qu'une virole, à savoir assurer un guidage des fumées et favoriser une élévation de la température de combustion. L'enceinte 50 comprend sur ses parois latérales un évaporateur 60, une jupe 70, une couche thermiquement isolante 80 et sa partie supérieure est couverte par une paroi 230 formant partiellement un couvercle. L'embouchure de l'enceinte 40 contenant le foyer 30 peut être équipée d'un voile rayonnant 90. Les fumées s'échappent de l'enceinte 50 par une ouverture disposée sur la partie supérieure d'une des parois latérales de l'enceinte 50, comme représenté sur la figure 8. La figure 9 représente une autre variante donnée à titre d'exemple non limitatif d'une chaudière à biomasse pour la micro-cogénération d'électricité et de chaleur équipée du dispositif de la présente invention. La chaudière à biomasse représentée sur la figure 9 est une chaudière à combustion inversée à tirage forcé. Selon ce mode de réalisation, un moyen de ventilation 1401 achemine du comburant dans un foyer 330 et contraint les gaz et les fumées produites par combustion à circuler vers une enceinte 500 située en- dessous dudit foyer 330. L'enceinte 500 comprend un évaporateur 600 sur ses parois latérales ainsi qu'une couche isolante 800, une jupe 700, mais les fumées s'échappent de l'enceinte 500 en passant par des zones sensiblement tubulaires 1100 situées au- dessus du foyer 330 et non sur la périphérie extérieure immédiate de l'enceinte 500. Les zones sensiblement tubulaires ont des parois en contact avec le second échangeur 1200 associé au circuit de chauffage domestique 200.

L'agencement des différents circuits fluidiques peut également varier suivant les modes de réalisation de l'invention. Par exemple, comme indiqué sur la figure 5, le circuit de chauffage d'un bâtiment 200 peut être directement relié au condenseur 18 du premier circuit fluidique fermé 100. De cette manière, il n'est pas nécessaire d'utiliser un troisième circuit fluidique fermé 300. Sur la figure 6, une variante propose de connecter le troisième circuit fluidique fermé 300, lorsqu'il est présent, directement aux moyens de chauffage domestiques 22, pouvant être des radiateurs, des réservoirs d'eau ou autres.

En définitive, l'invention décrite ci-avant permet de procurer les avantages suivants :

Proposer un dispositif s 'intégrant sur une chaudière à biomasse domestique du type de celles que l'on trouve dans le commerce.

Offrir des rendements globaux sensiblement identiques aux systèmes ne proposant qu'un moyen de chauffage domestique grâce à une optimisation du transfert thermique par convection pour le chauffage et une récupération de l'énergie thermique résiduelle en sortie d'un générateur d'électricité.

- Optimiser les transferts thermiques par rayonnement dans les zones où la combustion de la biomasse a lieu.

Permettre une réduction de la taille des chaudières à biomasse domestiques grâce à cette optimisation, en garantissant un faible ratio surface sur volume dans les zones où la combustion a lieu et un fort ratio surface sur volume dans les zones où l'échange par convection avec le circuit fluidique de chauffage d'un bâtiment a lieu.

- Ne pas nécessiter d'homologation et de mesures de sécurité spécifiques en raison de la présence d'un évaporateur, du fait de ses dimensions réduites.