Titre de l'invention : DISPOSITIF DE CHAUFFAGE À ACCUMULATION

[0001] DOMAINE D’APPLICATION DE L’INVENTION

[0002] L’invention a trait au domaine du chauffage et notamment aux adaptations permettant de résoudre dans les meilleures conditions les inconvénients d’un chauffage à accumulation.

[0003] DESCRIPTION DE L’ ART ANTÉRIEUR

[0004] Dans un contexte de recherche d’économie d’énergie, d’amélioration du confort et de la performance, de réduction de la pollution atmosphérique, l’usage du bois de chauffage présente des avantages connus et profitables sur le plan économique et envi ronnemental.

[0005] Bien que les foyers fermés (poêles et inserts) présentent des intérêts évidents en termes d’efficacité énergétique par rapport aux cheminées à foyers ouverts, ils présentent néanmoins également une pluralité d’inconvénients, parmi ceux-ci :

[0006] - ils conduisent à des pics de production de chaleur sans possibilité de réglage de la température dans le volume chauffé,

[0007] - le rendement du matériel existant peut être optimisé,

[0008] - le matériel existant rejette des fumées à température élevée,

[0009] - les gaz issus de la combustion sont chargés de polluants et de particules,

[0010] - l’encrassement de la vitre sur les inserts et poêles à flamme apparente nécessite un entretien régulier à base de produits nocifs.

[0011] De plus, la restitution de la chaleur accumulée n’est pas réglable ou du moins sa ré gulation peut être optimisée.

[0012] De même, l’efficacité énergétique d’un foyer fermé à post-combustion n’est atteinte que dans certaines conditions à savoir lorsque la combustion est alimentée sans res triction en air frais et en bois et que les gaz de combustion produits sont suffisamment chauds (température supérieure à 600 degrés Celsius) pour permettre leur post combustion.

[0013] BREVE DESCRIPTION DE L’ INVENTION

[0014] Ce que constatant , la demanderesse a mené des recherches sur un dispositif de chauffage avec pour objectifs d’améliorer notamment les points suivants :

[0015] - l’efficacité énergétique,

[0016] - le confort d’utilisation,

[0017] - l’émission de polluants.

[0018] Ces recherches ont abouti à la conception et à la réalisation d’un dispositif de chauffage à accumulation nouveau permettant de résoudre les inconvénients des dis positifs de l’art antérieur.

[0019] Selon l’invention, le dispositif de chauffage est remarquable en ce qu’il comprend une enceinte accueillant :

[0020] - un foyer à bois fermé équipé d’une fonctionnalité de post-combustion et d’un moyen pilotable de régulation du foyer ;

[0021] - un moyen pilotable de régulation du flux des gaz issus de la combustion,

[0022] - un premier échangeur thermique préformé pour être traversé par les gaz issus de la combustion et assurant la transmission de la chaleur desdits gaz de combustion à un matériau liquide de stockage de la chaleur;

- un moyen de dépollution des gaz issus de l ‘échangeur dit chambre de tran quillisation dans laquelle débouchent les gaz issus de l’échangeur et qui est formée en partie inférieure par la surface du matériau liquide de stockage de chaleur de l’échangeur de sorte que le passage à l’état gazeux dudit liquide participe au lavage des gaz issus de l’échangeur eux-mêmes susceptibles de s’être condensés du fait de leur re froidissement, ladite enceinte étant équipée de parois et étant dimensionnée de sorte qu’un espace soit maintenu entre lesdites parois et le foyer et entre lesdites parois et ledit premier échangeur thermique de façon à ce qu’une lame d’air puisse y circuler.

[0023] Un tel dispositif peut :

[0024] - remplacer les foyers ouverts existants,

[0025] - être implanté comme dispositif de chauffage à bois dans des locaux divers dotés ou non de chauffage d’autres types,

[0026] - s’intégrer dans divers environnements comme une cheminée classique avec ou sans insert,

[0027] - proposer une capacité de stockage de la chaleur permettant de disposer rapidement d’une puissance élevée intéressante pour de grands volumes utilisés peu de temps,

[0028] - être développé pour diverses dimensions et puissances en fonction du besoin.

[0029] Les caractéristiques de cet appareil permettent de le considérer comme une al ternative aux autres moyens de chauffage au bois, d’autant que le raccordement sur un réseau de chauffage central est possible et que son fonctionnement ne nécessite pas né cessairement de conduit de cheminée ce qui sera développé plus bas.

[0030] Le dispositif de l’invention stocke l’énergie thermique grâce au liquide, la redistribue au moyen de la lame d’air, assure une régulation dans le volume à chauffer en fonction du besoin grâce aux moyens de pilotage et assure la dépollution des gaz issus de la combustion grâce à la chambre de tranquillisation.

[0031] Le pilotage de la régulation du foyer ainsi que celui de la régulation des flux de gaz issus de la combustion assurent non seulement un bon rendement du foyer mais également un bon échange thermique. Ce foyer fermé à post combustion peut être un poêle ou un insert à bois.

[0032] Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, il s’agit d’un insert à post combustion.

[0033] Il permet de faire fonctionner le foyer avec le rendement le plus élevé dans un temps court tout en profitant les calories produites sur un temps long.

[0034] La chambre dans laquelle débouchent les gaz issus de l’échangeur est appelée de tranquillisation car elle assure la récupération dans un seul volume de tous les gaz.

Leur turbulence et la montée en température du liquide créant une atmosphère humide vont permettre leur lavage avant leur passage dans le module fonctionnel suivant.

[0035] Le module fonctionnel suivant est, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, un deuxième échangeur traversé par les gaz issus de la chambre de tran quillisation. Ce deuxième échangeur récupère les dernières calories portées par les gaz. Selon une autre caractéristique, il est associé à un bac de récupération de l’eau condensée. Il s’agit d’un échangeur air/air qui chauffe l’air se déplaçant à travers.

[0036] Le gaz issu de la combustion sortant du dispositif de l’invention est donc dépollué et non chaud. On comprend alors que le dispositif de l’invention peut être installé sans prévoir obligatoirement un conduit de sortie vers l’extérieur des fumées issues de la combustion réalisée dans le foyer. De plus, il est possible de faire fonctionner la cheminée avec une sortie de fumée horizontale, en raison du tirage dynamique mis en œuvre par un moto- ventilateur.

[0037] Pour optimiser la dépollution et le rendement, selon une autre caractéristique particu lièrement avantageuse de l’invention, le dispositif comprend une autre chambre de tranquillisation qui s’intercale entre le foyer fermé et le premier échangeur et qui est constituée par un volume dans lequel les gaz issus de la combustion du foyer fermé se mélangent et s’harmonisent avant de passer dans le premier échangeur qui constitue la paroi haute de ladite chambre.

[0038] En regard de la circulation des gaz, la chambre de tranquillisation située en sortie du premier échangeur est appelée deuxième chambre de tranquillisation et la chambre de tranquillisation située à l’entrée du premier échangeur est appelée première chambre de tranquillisation.

[0039] L’arrivée turbulente des gaz issus de la combustion conduit au dépôt d’une partie des particules portées par les gaz sur les parois de cette première chambre de tran quillisation et conduit ainsi à mettre en œuvre une première dépollution en amont (en regard du parcours des gaz) de celle décrite pour la deuxième chambre de tran quillisation. Ainsi, la dépression pilotée est harmonisée avant passage dans l ‘échangeur de sorte que dans la mesure du possible tous les éléments de l’échangeur puissent être traversés par la même quantité de gaz issu de la combustion. [0040] En effet, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ledit premier échangeur est composé par un faisceau de tubes traversant le volume de matériau liquide de stockage de la chaleur.

[0041] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, une première extrémité des tubes débouche dans la première chambre de tranquillisation, la deuxième extrémité débouchant dans la deuxième chambre de tranquillisation.

[0042] La multiplication du nombre de tubes augmente les surfaces d’échange.

[0043] La fixation des tubes est réalisée par une couche de béton réfractaire constituant la paroi de fond du volume accueillant le liquide du premier échangeur.

[0044] L’éventuel ruissellement créé dans les tubes peut tomber dans la première chambre de tranquillisation.

[0045] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ledit matériau liquide de stockage de la chaleur est de l’eau glycolée.

[0046] Il est prévu que le niveau de l’eau glycolée dans le premier échangeur soit mesuré ré gulièrement. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, le niveau du liquide est contrôlé par un dispositif électronique qui alerte d’une insuffisance par ré percussion de l’information sur un écran digital.

[0047] Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, lesdits tubes sont en cuivre.

[0048] Selon un mode de réalisation non limitatif, lesdits tubes comportent dans leur âme creuse un revêtement ou chemisage.

[0049] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, le premier échangeur comporte des parois définissant intérieurement un volume d’accueil dudit matériau liquide de stockage de la chaleur et extérieurement une surface d’échange avec l’extérieur, cette surface d’échange étant au moins partiellement re couverte d’un réseau tubulaire dans lequel circule la lame d’air. Ce réseau tubulaire va favoriser le transfert de chaleur depuis la lame d’air circulant dans l’enceinte vers l’échangeur. Il permet et améliore le transfert des calories depuis l’échangeur vers la lame d’air, cette caractéristique prenant de l’importance à mesure que la température de la masse de liquide baisse, puisque l’intention est d’utiliser les calories stockées pour un delta, une différence de températures la plus faible possible (différence de tem pérature entre la masse de liquide stocké et la température du volume à chauffer, né cessitant une optimisation de l’échange thermique).

[0050] Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, le réseau tubulaire est constitué par une pluralité de tubes verticaux ce qui permet d’obtenir un mouvement de convection naturel dans les tubes, propice à l’échange thermique entre échangeur et la lame d’air.

[0051] Selon un autre mode de réalisation préféré mais non limitatif, ledit réseau tubulaire est réalisé par une pluralité de tubes en aluminium. [0052] Selon un autre un mode de réalisation préféré mais non limitatif, lesdits tubes en aluminium adoptent un profil quadrangulaire.

[0053] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, le dispositif comprend une armature en partie basse comprenant des parois formant un volume d’accueil pour le foyer fermé et dimensionnée de façon à autoriser la cir culation de l’air entre le foyer et les parois, ladite armature soutenant le premier échangeur disposé au-dessus du foyer.

[0054] Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, ledit deuxième échangeur est disposé sur la face arrière de la paroi arrière du volume du premier échangeur et dirige vers le bas les gaz qui sont remontés vers la deuxième chambre de tranquillisation. Ainsi, le dispositif de l’invention ne comporte pas de conduit d’évacuation vers le haut des gaz issus de la combustion.

[0055] L’ambiance vapeur et les turbulences dans les deux chambres de tranquillisation ainsi que dans l’échangeur arrière, mélangent les fumées et la vapeur de telle sorte que les particules en suspension sont piégées et concentrées dans les condensais qui ruissellent dans les chambres de tranquillisation et enfin dans le réservoir. Les fumées sont ainsi dépolluées.

[0056] Les différents automatismes et contrôles peuvent être réalisés à distance au moyen notamment d’un mobile multifonction dit smartphone. De plus, en fonction des pa ramètres mesurés, le dispositif peut réaliser un auto-apprentissage et requérir du com bustible ou réguler les échanges thermiques selon les besoins. Plus précisément, selon un mode de réalisation préféré, les boucles de régulation dans les circuits d’air ambiant et fumées sont conçues de la façon décrite ci- après.

[0057] La boucle air ambiant est contrôlée à partir de deux types d’informations. D’une part, celles en provenance du thermostat distant en liaison HF (hautes fréquences) avec l’automate du dispositif. Ce thermostat fonctionne en boucle PID (proportionnel intégral dérivé) pour obtenir un fort niveau de précision thermique .

[0058] Et d’autre part, à partir d’informations thermiques contrôlées sur le dispositif: tem pérature du corps d’insert, des fumées en sortie, de l’échangeur stockeur.

[0059] Ces informations sont traitées par un automate qui adapte la vitesse de soufflage avec des priorités sécuritaire (la sécurité et l’intégrité de l’équipement est prioritaire sur l’observance de la température de consigne)

[0060] Un dispositif réunissant tout ou partie des caractéristiques ci-dessus décrites permet de faire travailler le foyer peu de temps mais de façon intense c’est-à-dire selon son meilleur rendement tout en profitant au maximum sur un temps long des calories créées.

[0061] L’efficacité thermique et le confort en sont grandement optimisés en regard des dis positifs de l’art antérieur. [0062] Bien entendu, un tel dispositif peut être connecté ou associé à une pluralité d’équipements déportés tels ceux listés ci-après :

[0063] réservoirs supplémentaires, eau chaude sanitaire, chauffage central, micro pompe à chaleur pour extraire les calories à très basse température, échangeur stockeur/réservoir supplémentaire pour plus d’autonomie.

[0064] Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif, un mode de réalisation d’un dispositif conforme à l’invention.

Brève description des dessins

[0065] [Fig.1] est un dessin schématique d’une vue extérieure de face d’un mode de réa lisation du dispositif de l’invention;

[0066] [Fig.2] est un dessin schématique d’une vue de face où la paroi de l’enceinte ;

[0067] [Fig.3] est un dessin schématique d’une vue de droite en coupe du dispositif de la

[Fig.l];

[0068] [Fig.4] est un dessin schématique d’une vue de gauche en coupe du dispositif de la

[Fig.l] sans son enceinte ;

[0069] [Fig.5] est un dessin schématique d’une extérieure de face du dispositif de la [Fig.l] sans son enceinte ;

[0070] [Fig.6] est un dessin schématique d’une vue en perspective éclatée de la partie basse ;

[0071] [Fig.7] est un dessin schématique d’une vue en perspective éclatée de la partie haute.

[0072] DESCRIPTION D’UN MODE DE RÉALISATION

[0073] Comme illustré par les figures 1 et 2, le dispositif de chauffage à accumulation référencé D dans son ensemble comprend une enceinte extérieure E de forme parallélé pipédique accueillant dans son volume intérieur une structure métallique verticale 100 avec :

[0074] - une partie basse 110 accueillant un insert à post combustion 200,

[0075] - une partie haute 120 comprenant les moyens d’échange et de stockage thermique.

[0076] L’enceinte E est ouverte en partie basse pour donner accès au foyer 200.

[0077] Comme illustrée, ladite enceinte E est dimensionnée de sorte qu’un espace soit maintenu entre lesdites parois et le foyer et ledit premier échangeur thermique de façon à ce qu’une lame d’air représentée par les flèches Fl puisse y circuler.

[0078] Comme illustrée par les figures 3, 4 et 5, la partie basse 110 est dimensionnée de façon à proposer un volume d‘accueil supérieur au volume de l’insert 200 de sorte que l’air puisse circuler tout autour du foyer. De plus, les parois latérales 111 et 112 de la partie basse sont percées pour faciliter cette circulation. Un moto- ventilateur 113 (cf. [Fig.2]) piloté en débit en fonction du besoin, permet une circulation de la lame d’air représentée par les flèches Fl (par pressurisation) entre l’insert et son environnement. Le réglage d’un débit minimal de l’insufflation permet un transfert minimum des calories dans le milieu à chauffer, et limite le risque de dégradation de l’insert par em ballement thermique (suralimentation du foyer). Cette même [Fig.3] illustre le moto- ventilateur 121 assurant la circulation des gaz en créant une dépression à l’intérieur de la partie haute 120.

[0079] Comme illustré par la [Fig.4], cet insert 200 est équipé en partie supérieure d’un conduit 210 d’évacuation des gaz issus du foyer, lequel conduit 210 débouche à son extrémité haute dans une chambre de tranquillisation 300. A cette fin, comme illustrée par la [Fig.6], la paroi de fond 310 de la première chambre de tranquillisation 300 est ménagée d’un orifice 311.

[0080] Les gaz issus de la combustion turbulent dans cette première chambre 300 et déposent sur les parois de cette dernière au moins une partie des particules dont ils sont chargés. Le flux des gaz issus de la combustion et dont le dispositif récupère les calories est représentée par les flèches F2.

[0081] Cette première chambre 300 sert de volume intermédiaire pour les gaz issus de la combustion avant qu’ils soient aspirés dans le premier échangeur 400 disposé au- dessus. L’aspiration est mise en œuvre par le moto- ventilateur 121 et est facilitée par la convection.

[0082] Ce premier échangeur 400 occupe la majeure partie de la partie haute 120 du dispositif D et forme un réservoir d’eau glycolée. Il comprend un faisceau de tubes 410 en cuivre traversant le volume d’eau glycolée 420 de stockage de la chaleur. Ce réservoir comprend des orifices d’entrée et de sortie à des fins d’alimentation en eau glycolée (pour ajuster le niveau) ou de vidange.

[0083] L’extrémité inférieure de ces tubes 410 vient communiquer avec la première chambre de tranquillisation 300 qui a pour autre utilité d’harmoniser la dépression à laquelle sont soumis les gaz de façon à ce que chaque tube 410 soit traversé par la même quantité de gaz. Les condensais ruisselant dans les tubes en cuivre tombent sur la partie basse de la première chambre de tranquillisation 300 en vaporisant du fait de la tem pérature de ce volume à plus de trois cent degrés Celsius, qui crée ainsi une ambiance humide favorable à la dépollution. Ce principe de vaporisation fonctionne en boucle puisque les condensais vaporisés sont aspirés dans les tubes 410, pour recondenser, et ainsi de suite. Selon un mode d’exploitation envisagée, il est prévu de répartir une couche de sable d’environ un centimètre sur le fond de la chambre de tranquillisation basse 300 pour stocker l’excès d’humidité et lisser temporellement son évacuation. Ce sable se charge de divers résidus dans le temps et doit être changé dans le cadre de maintenance périodique de l’appareil. [0084] Les gaz réchauffent les tubes 410 qui réchauffent l’eau glycolée 420. La condensation créée participe au lessivage des gaz et peut se déposer sur le fond de la chambre de tranquillisation c’est-à-dire sur la face interne de la plaque 310.

[0085] Les extrémités basses des tubes en cuivre 410 sont maintenues mécaniquement par une épaisseur de béton réfractaire B. spécialement formulé pour une haute tenue en température et des propriétés mécaniques exceptionnelles. Des précautions mécaniques sont prises pour éviter tout risque de déchaussement du béton. Une membrane silicone élastomère haute température recouvre toutes les surfaces internes de l’échangeur 400, afin de permettre une étanchéité parfaite du cuvelage, y compris en cas de fort dif férentiel de dilatation. Le silicone reparti sur toutes les parties métalliques et en béton fait aussi office de revêtement anticorrosion. Ce béton réfractaire B et cette eau glycolée 420 sont les seuls moyens de stockage des calories.

[0086] La partie haute 120 comporte, fixés sur les parois latérales et frontales du premier échangeur 400, des tubes d’échange extérieur 500 (ici à profil rectangulaire) dans lesquels circule l’air de la lame d’air (flèches Fl) créée autour de l’échangeur 400 et du foyer 200. Ces tubes 500 forment un réseau tubulaire favorisant le transfert de chaleur depuis la lame d’air (flèches Fl) vers l’échangeur 400 et par exemple servir à re démarrer le dispositif D plus rapidement pour qu’il puisse fonctionner à son meilleur rendement. Il permet et améliore également le transfert des calories depuis l’échangeur 400 vers la lame d’air.

[0087] Cet air circule partout car la lame d’air (flèches Fl) créée est uniformément ré chauffée autour du foyer 200 en partie basse et autour de l’échangeur 400 notamment dans les tubes 500 en partie haute.

[0088] Selon le mode de réalisation illustré, les tubes 500 sont fixés à la paroi de l’échangeur 400 au moyen d‘interfaces mécaniques 510 adoptant la forme de peignes dont les dents viennent pénétrer à des fins de retenue dans les extrémités ouvertes des tubes 500 et qui se fixent à l’échangeur 400 au moyen de goujons sertis (non illustrés).

[0089] Selon un mode préféré de réalisation, de la graisse de type « compound » est in tercalée entre les tubes 500 et la paroi de retenue du volume d’eau glycolée afin de transmettre au mieux les calories.

[0090] L’extrémité haute des tubes 410 débouche elle sur la deuxième chambre de tran quillisation 600 dont le fond est constitué par la surface supérieure 421 du volume d’eau glycolée 420. Ainsi, la deuxième chambre de tranquillisation 600 est formée par un volume laissé sans eau en partie supérieure du volume de stockage de l’eau glycolée volume dans lequel émergent les extrémités hautes des tubes 410.

[0091] L’atmosphère est humide, les gaz (flèches F2) qui ont commencé à refroidir dans les tubes sont humidifiés ce qui permet de les lessiver encore, de s’associer à leur condensât et de retenir les particules qui n’auraient pas été déjà nettoyées. La condensation est en fait située dans les deux chambres de tranquillisation basse 300 et haute 600. Pour cette dernière, la vaporisation sera forte plus on approchera de la zone d’ébullition (jamais atteinte) pour l’eau glycolée. La vapeur est dense et se condense notamment sur la paroi haute de l’échangeur 400 décrit ci-dessous pour retomber sous forme de gouttelettes dans la masse de liquide et dans les tubes 410 de l’échangeur vers la chambre de tranquillisation basse 300.

[0092] Le gaz (flèches F2) tranquillisé passe alors, toujours sous l’action de la dépression créée par le moto-ventilateur 121, dans le deuxième échangeur 700 qui consiste en des conduites verticales tubulaires dans lesquelles passent le gaz du haut de la partie haute 120 vers le bas pour être définitivement refroidi. Les derniers condensais étant récupérés par le bac de récupération 710.

[0093] Ainsi, les gaz (flèches F2) issus de la combustion ressortent du deuxième échangeur 700 refroidis et non pollués.

[0094] L’habillage esthétique du dispositif D n’est pas illustré. Ce dernier peut s’adapter à toutes les configurations ou styles avec de multiples variétés de matériaux, parements, boiseries, crépis.

[0095] Une sonde de température (contact) est placée contre le réservoir.

Une sonde manque d’eau est placée dans le réservoir avec un report sonore + vers l’automate.

[0096] Un automate assure la régulation globale, fournit les informations de sécurité et les recommandations d’alimentation en combustible, et les prévisions de durée de chauffage. L’automate dispose d’un écran et d’un module de communication TCPIP/ WIFI. Le dispositif grâce à une connexion internet peut être contrôlée à distance en matière de sécurité, tout comme la température de la pièce à partir d’un ordinateur ou d’un smartphone.

[0097] Un onduleur permet au moins une demi-heure d’extraction plus un avertisseur sonore en cas de coupure d’alimentation.

[0098] Un coffret électrique comporte l’automate et son écran ainsi que l’ensemble des composants d’automatisme et des jonctions de raccordements.

[0099] En cas de panne d’alimentation électrique, l’extraction des fumées est priorisée, l’insufflation s’arrête pour optimiser/abaisser la consommation d’énergie.

[0100] Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, en dehors de l’insert réalisé selon la responsabilité de son fabricant sur la base d’une liste de métaux ferreux, tôle, fonte d’acier, autres nuances d’acier sur la visserie et accessoires, marginalement de l’aluminium ou du cuivre, le dispositif D est constitué pour toute sa structure : de tôle d’acier de un à quatre millimètres d’épaisseur, de profilés aluminium disposés sur les quatre faces externes de l’échangeur stockeur 400, d’un bac de récupération 710 des condensais réalisé en inox, et d’un faisceau de 16 tubes de cuivre 410 en 50/52. [0101] On comprend que le dispositif qui vient d’être ci-dessus décrit et représenté, l’a été en vue d’une divulgation plutôt que d’une limitation. Bien entendu, divers amé nagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l’exemple ci- dessus, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.