FR3034847A1

FR3034847A1 - FLUID MASS STOVE: METHOD AND DEVICE OF MASS FLUID BOILER: PROCESS

Info

Publication number: FR3034847A1
Application number: FR1500718A
Authority: FR
Inventors: Robrecht Liekens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-10-14

Abstract

- Procédé de chauffage confortable et économique qui réunit les avantages de différents types de chauffage mais sans leurs inconvénients. Il permet d'optimaliser le rendement de la chaleur produite par une synergie de quatre modes de transport de calories : par conduction (1), par accumulation (2), par convection (3) et par radiation (4). - Dispositif de chauffage selon le procédé cité, caractérisé par sa transportabilité et appelé « poêle de masse à fluide » Le présent mode de réalisation se caractérise par un foyer (5) relié à un caisson étanche destiné à chauffer l'ambiance par radiation. Ce caisson (6) contient un conduit de gaz de combustion chauds (7) immergé dans un matériau apte à la convection et à forte capacité calorifique (ici : de l'eau). Le conduit (7) est en métal et en forme de spirale. Il transperce le caisson (6) du bas en haut et permet au gaz chauds de chauffer l'eau avant leur évacuation définitive. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au chauffage des habitations.- Comfortable and economical heating process that combines the advantages of different types of heating but without their disadvantages. It makes it possible to optimize the efficiency of the heat produced by a synergy of four modes of transport of calories: by conduction (1), by accumulation (2), by convection (3) and by radiation (4). - Heating device according to the cited method, characterized by its transportability and called "fluid mass stove" The present embodiment is characterized by a fireplace (5) connected to a sealed chamber for heating the atmosphere by radiation. This box (6) contains a hot combustion gas pipe (7) immersed in a material capable of convection and high heat capacity (here: water). The conduit (7) is metal and spiral. It pierces the box (6) from bottom to top and allows the hot gas to heat the water before their final evacuation. The device according to the invention is particularly intended for heating homes.

Description

-1- DESCRIPTION La présente invention s'applique au domaine de chauffage domestique sans pour autant exclure les domaines de chauffage collectif et industriel. Elle concerne un dispositif qui réunit les avantages des principes de chauffage conventionnels (poêles, radiateurs) avec ceux des poêles à accumulation (appelés couramment « poêles de masse »). Le chauffage centrai a connu un grand succès à partir des années soixante. Le principe, -faire chauffer et circuler un fluide caloporteur dans un circuit d'éléments de chauffe fermée-, est simple, mais, au coût élevé de sa mise en place et de son entretien s'ajoute aujourd'hui la cherté des carburants. A l'heure actuelle, le poêle à bois traditionnel suscite à nouveau l'intérêt des français. La matière constructrice et conductrice des poêles traditionnels est un métal ferreux (fer, fonte, acier...) et la conductivité thermique de ces matériaux est excellente.DESCRIPTION The present invention applies to the domestic heating field without excluding the collective and industrial heating fields. It concerns a device that combines the advantages of conventional heating principles (stoves, radiators) with those of storage stoves (commonly called "mass stoves"). Central heating was a great success from the sixties. The principle of heating and circulating a heat transfer fluid in a circuit of closed heating elements is simple, but the high cost of its installation and maintenance is now added to the high cost of fuels. At present, the traditional wood stove is once again attracting French interest. The construction and conductive material of traditional stoves is a ferrous metal (iron, cast iron, steel ...) and the thermal conductivity of these materials is excellent.

Cependant, ces appareils soulèvent deux problèmes : - Les poêles traditionnels exigent un feu continu et un soin permanent. Leur consommation en combustible (bois ou dérivés de bois) est conséquente et fait prospérer la filière du bois de chauffage. Toutefois, il est évident que le prix du bois de chauffage augmentera considérablement dans les années à venir, ce qui rendra ce mode de chauffage bien plus onéreux. - Les modes de chauffage à bois traditionnels (poêles, inserts, cheminées à récupération air chaud, poêles à granulés etc...) fonctionnent principalement par convection : l'air autour de l'appareil chauffe, s'élève et se disperse dans la pièce d'une façon circulaire. Ceci provoque un assèchement de l'air et une circulation de poussière, réputée mauvaise pour les voies respiratoires. Les poêles de masse n'ont pas ces inconvénients Leurs bienfaits sont connus une chaleur douce et saine, peu d'assèchement d'air et une circulation de poussière limitée. S'ajoute à cela une consommation réduite et une bonne combustion. - Ils ont cependant des inconvénients : leur poids, leur volume et leur prix élevé. Ces prix sont dus aux matériaux : la pierre à grande capacité calorifique (pierre ollaire, basalte etc...) est lourde, difficile à transporter et à travailler. L'installation transforme l'habitation en chantier et une fois mise en place, ces appareils volumineux deviennent intransportables. Autres désavantages : les dimensions souvent limitées du foyer et le temps considérable mis par le poêle pour commencer à diffuser la chaleur.However, these appliances raise two issues: - Traditional stoves require continuous fire and permanent care. Their consumption of fuel (wood or wood products) is substantial and makes the firewood industry thrive. However, it is clear that the price of firewood will increase considerably in the coming years, making this method of heating much more expensive. - The traditional wood heating methods (stoves, inserts, hot air collection fireplaces, pellet stoves etc ...) work mainly by convection: the air around the appliance heats, rises and disperses in the piece in a circular manner. This causes drying of the air and a circulation of dust, deemed bad for the airways. The mass stoves do not have these disadvantages Their benefits are known a soft and healthy heat, little drying of air and a limited circulation of dust. Added to this is reduced consumption and good combustion. - However, they have disadvantages: their weight, their volume and their high price. These prices are due to materials: the stone with high heat capacity (soapstone, basalt etc ...) is heavy, difficult to transport and work. The installation turns the house into a building site and once set up, these bulky appliances become untransportable. Other disadvantages: the often limited dimensions of the fireplace and the considerable time it takes for the stove to start diffusing heat.

Ici, le matériau accumulateur principal du « poêle de masse à fluide » est l'eau. Le poêle peut donc être transporté « à vide », après quoi il suffît de le remplir d'eau ordinaire pour que l'appareil soit opérationnel. Outre d'être disponible et bon marché, l'eau possède une capacité thermique volumique qui est au moins de 40% supérieure à celle de la pierre réfractaire. 3034847 -2- Le principe du poêle de masse à fluide est simple : un foyer est relié à un corps conducteur qui contient un fluide ou un autre matériel à grande capacité calorifique.Here, the main accumulating material of the "fluid mass stove" is water. The stove can be transported "empty", after which it is sufficient to fill it with ordinary water for the device to be operational. In addition to being available and inexpensive, the water has a thermal capacity which is at least 40% higher than that of refractory stone. 3034847 -2- The principle of the fluid mass stove is simple: a fireplace is connected to a conductive body that contains a fluid or other material with a large heat capacity.

5 Ce matériel va absorber les calories des gaz chauds du conduit et les transporter vers les parois extérieures du récipient où ils seront diffusés dans la pièce par rayonnement. Le récipient, nous l'appellerons « caisson ». Ce caisson constitue en lui seul une combinaison heureuse de 4 modes de transmission calorifique : transmission par conduction (dans un premier temps par la paroi de la conduite et dans un second temps 10 par la paroi du caisson), transmission par accumulation, transmission par convection et transmission par radiation. Cette spécificité lui permet de remplir simultanément 5 fonctions : 1) Transporter les gaz brulés au conduit d'évacuation. 2) Contenir une grande quantité de fluide à forte capacité calorifique. 15 3) Absorber (par conduction) les calories des gaz brûlés qu'il transporte. 4) Transporter (par convection) ces calories aux parois extérieures. 5) Diffuser (par rayonnement) ces calories dans l'ambiance. (Si on souhaite chauffer d'autres pièces, il est possible de raccorder au caisson un circuit d'éléments radiants, équipé d'un circulateur afin de propulser le fluide caloporteur. Cet 20 ajout transformera le dispositif en « chaudière de masse à fluide».) Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure 1 représente un modèle puissant. - La figure 2 représente un modèle d'une puissance moindre. 25 - La figure 3 représente une coupe frontale du caisson avec indication du mouvement du liquide. - La figure 4 représente une coupe latérale du dispositif avec numération des éléments. - La figure 5 représente une variante avec conduit à lamelles ou à ailettes (une variante droite est plus facile à produire et augmente aussi le coefficient de conductibilité du 30 conduit) avec indication de la circulation du fluide et image du conduit en perspective. En référence aux dessins 1, 3 et 4, l'appareil de chauffage présenté met en valeur les capacités remarquables de deux matériaux : - pour le métal ferreux la conductivité, la rigidité et l'aptitude au rayonnement, 35 - pour l'eau la capacité thermique volumique et l'aptitude à la convection. En exploitant simultanément les processus d'accumulation et d'échanges thermique, ce dispositif donne le confort avec un rendement énergétique exceptionnel. Il permet de réduire le travail de chauffe et le montant de la facture du combustible. Nous appellerons ce modèle « poêle de masse à fluide ».This material will absorb the calories from the hot gases of the conduit and transport them to the outer walls of the container where they will be diffused into the room by radiation. The container we will call "box". This box constitutes in itself only a happy combination of 4 modes of heat transmission: transmission by conduction (in a first time by the wall of the pipe and in a second time 10 by the wall of the box), transmission by accumulation, transmission by convection and radiation transmission. This specificity allows it to simultaneously fulfill 5 functions: 1) Transport the burnt gases to the exhaust duct. 2) Contain a large quantity of fluid with a high heat capacity. 3) Absorb (by conduction) the calories of the flue gases it carries. 4) Transport (by convection) these calories to the outside walls. 5) Diffuse (by radiation) these calories into the atmosphere. (If it is desired to heat other parts, it is possible to connect to the box a circuit of radiant elements, equipped with a circulator to propel the heat transfer fluid.This addition will transform the device into a "fluid mass boiler" The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents a powerful model. - Figure 2 shows a model of less power. - Figure 3 shows a frontal section of the box with indication of the movement of the liquid. - Figure 4 shows a side section of the device with numeration of the elements. FIG. 5 shows a variant with lamella or fin duct (a straight variant is easier to produce and also increases the conductivity coefficient of the duct) with indication of the circulation of the fluid and image of the duct in perspective. With reference to drawings 1, 3 and 4, the present heating apparatus highlights the remarkable capabilities of two materials: - for ferrous metal conductivity, rigidity and radiation ability, - for water the volume heat capacity and convection ability. By simultaneously exploiting the processes of accumulation and heat exchange, this device gives comfort with exceptional energy efficiency. It reduces the work of heating and the amount of the fuel bill. We will call this model "fluid mass stove".

40 II possède un grand foyer fermé, semi-fermé ou ouvert. Son manteau, comme la plupart des éléments de l'appareil, est en acier ou en acier inoxydable. Cet habillage fait partie du « caisson » (7) L'intérieur du foyer est en fonte habillé avec des plaques en vermiculite (20) pour augmenter la température dans le foyer. Le foyer est raccordé à 3034847 -3- un tube spiralé également en acier ou en inox(6) qui conduira les gaz de combustion venant du foyer et les permet de monter d'une façon oblique et circulaire dans un 5 circuit prolongé. Cette spirale est construite par un assemblage de coudes soudés. Pour la consolidation, elle est reliée par des tiges en acier (5) aux parois du caisson. La spirale fait partie intégrante du caisson. Elle te « transperce » dans un but de prolonger le temps de circulation des gaz dans la masse et peut être équipé d'un dispositif de fermeture.40 It has a large closed, semi-closed or open fireplace. His coat, like most parts of the device, is made of steel or stainless steel. This cladding is part of the "box" (7) The interior of the fireplace is cast iron dressed with vermiculite plates (20) to increase the temperature in the home. The hearth is connected to a spiral tube also of steel or stainless steel (6) which will drive the combustion gases from the hearth and allow them to mount obliquely and circularly in an extended circuit. This spiral is built by an assembly of welded elbows. For consolidation, it is connected by steel rods (5) to the walls of the box. The spiral is an integral part of the box. It "pierces" you in order to prolong the circulation time of the gases in the mass and can be equipped with a closing device.

10 Soudée au caisson par le bas, elle en sort librement en haut, enrobée d'un joint type feutre de fibre de verre. Le caisson est superposé ou non au foyer (qu'il enveloppe partiellement de façon que l'ensemble prenne l'aspect d'un poêle de masse). Il comprend un container, un cylindre, ou un récipient quelconque et est connecté à un conduit d'évacuation de gaz.10 Welded to the box from the bottom, it comes out freely at the top, covered with a fiberglass felt type seal. The box is superimposed or not on the hearth (it partially wraps so that the whole takes the appearance of a stove mass). It comprises a container, a cylinder, or any container and is connected to a gas exhaust duct.

15 II peut fonctionner comme source de chaleur autonome, mais peut aussi être connecté : - soit à d'autres éléments de chauffage à condition que son matériau à grande capacité calorifique soit un fluide qui alimente directement les éléments de chauffe ou qui transporte ses calories vers un échangeur de chaleur. - soit à des panneaux solaires thermiques. 20 - soit à une pompe à chaleur géothermique, aquathermique ou aérothermique, ce qui permet au caisson d'accéder aussi à la fonction d'élément de refroidissement ou de climatisation. Le caisson est étanche (sauf en haut) et ses parois sont lisses ou bien côtelées ou travaillées de façon d'agrandir sa surface d'échange afin d'augmenter la diffusion de 25 chaleur dans l'ambiance. Il héberge un vide (2) qui sert comme vase d'expansion pour le liquide lorsque celui-ci augmente en température. Le volume de ce vide est déterminé par l'emplacement d'une vanne ou un robinet de débordement. Le caisson est équipé d'ouvertures de remplissage et de vidange permettant de remplir le réservoir de fluide dès que le poêle est mis en place, et de le vidanger à nouveau s'il 30 est besoin de le transporter. L'air entre par une bouche raccordé à l'air extérieur et est préchauffé derrière le foyer (15). Les gaz chauds suivent en forme de spirale qui permet au gaz de combustion de chauffer au mieux la masse qu'elle transperce, constitué de l'acier et surtout de l'eau. Dès la première chaleur, un mouvement de convection du fluide (figure 2) va contribuer 35 à la rapidité de chauffe de la masse et donc de la pièce. Le rayonnement, chaleur saine et agréable propre aux poêles de masse, est pour la majeure partie différée mais pour un petit part directe : grâce au foyer vitré panoramique, l'utilisateur profitera d'une diffusion de calories directe et immédiate : celui du rayonnement du feu et de la braise. En comparant l'activité du foyer avec l'indication du thermomètre frontal, intégré au 40 caisson (17), on peut déduire les besoins en combustible : du bois sec (branches, bûches, bois de récupération, pommes de pins, dérivés de bois etc...). Le foyer peut être adapté pour une combustion à gaz naturel, au charbon, aux dérivés de déchets, au fuel ou à une combustion mixte. 3034847 -4- Il est possible de connecter le caisson à une pompe à chaleur pour des apports calorifiques supplémentaires. On peut aussi connecter le caisson à un échangeur de 5 chaleur ou à un réseau hydraulique d'éléments de chauffe (radiateurs, circuits intégrés) et chauffer ainsi des pièces supplémentaires. A cause de la simultanéité des différents procédés de transmission de calories, le poêle se mettra plus vite à chauffer que les poêles de masse conventionnels. En même temps, il restera chaud très longtemps grâce au coefficient de stockage calorifique 10 exceptionnel de l'eau. Une fois que l'eau dépasse une certaine température (par exemple 70°C), un régulateur de tirage commencera à réduire l'arrivée d'air à l'aide d'un clapet (14), pour la fermer complètement à, par exemple 95°C, ceci pour éviter l'ébullition du fluide. Le clapet (ou autre dispositif situé au raccordement à l'air extérieur du foyer) est relié 15 par une chainette ou baguette (9) à un régulateur de tirage mécanique (ou électrique) (8) dont la sonde thermique (ou électronique) se trouve à l'intérieur du caisson. Il peut se rouvrir automatiquement dès que la température du fluide baisse. Ce dispositif de fermeture du canal d'apport d'air permet donc de régler la température du caisson par voie thermostatique, par voie électronique ou bien par voie manuelle.It can operate as a stand-alone heat source, but can also be connected: - to other heating elements provided that its high heat capacity material is a fluid that directly feeds the heating elements or transports its calories to a heat exchanger. - or to solar thermal panels. 20 - either to a geothermal heat pump, aquathermic or aerothermal, which allows the box to also access the function of cooling element or air conditioning. The casing is sealed (except at the top) and its walls are smooth or ribbed or worked so as to enlarge its exchange surface in order to increase the diffusion of heat into the atmosphere. It houses a vacuum (2) which serves as an expansion vessel for the liquid when it increases in temperature. The volume of this vacuum is determined by the location of a valve or overflow valve. The box is equipped with filling and emptying openings to fill the fluid reservoir as soon as the stove is put in place, and to drain it again if it is necessary to transport it. The air enters through a mouth connected to the outside air and is preheated behind the fireplace (15). The hot gases follow in the form of a spiral that allows the combustion gas to heat the mass it pierces, consisting of steel and especially water. From the first heat, a fluid convection movement (Figure 2) will contribute to the speed of heating the mass and therefore the room. The radiance, healthy and pleasant heat peculiar to mass stoves, is for the most part delayed but for a small direct part: thanks to the panoramic glazed hearth, the user will benefit from a direct and immediate diffusion of calories: that of the radiation of the fire and embers. By comparing the activity of the fireplace with the indication of the frontal thermometer, integrated in the 40 box (17), we can deduce the fuel requirements: dry wood (branches, logs, reclaimed wood, pine cones, wood derivatives etc ...). The fireplace can be adapted for natural gas combustion, coal, waste products, fuel oil or mixed combustion. 3034847 -4- The box can be connected to a heat pump for additional heat input. The box can also be connected to a heat exchanger or to a hydraulic network of heating elements (radiators, integrated circuits) and thus to heat additional parts. Due to the simultaneity of the different heat transfer processes, the stove will heat up faster than conventional mass stoves. At the same time, it will stay warm for a long time thanks to the exceptional heat storage coefficient of the water. Once the water exceeds a certain temperature (eg 70 ° C), a draft regulator will begin to reduce the air supply with a valve (14), to close it completely to, through example 95 ° C, this to prevent the boiling of the fluid. The valve (or other device located at the external air connection of the furnace) is connected by a chain or rod (9) to a mechanical (or electrical) draft regulator (8) whose thermal (or electronic) probe located inside the box. It can reopen automatically as soon as the fluid temperature drops. This closing device of the air supply channel thus makes it possible to regulate the temperature of the box thermostatically, electronically or manually.

20 Une soupape de sécurité sur le circuit de vidange (10) exclut le risque de surpression en cas où, par erreur, le joint ou le clapet en haut de la caisse se trouveraient colmatés. Le rendement de ce poêle est tel que 2 séances de combustion d'environ 1 heure suffisent pour chauffer une pièce de 100 mètres cube.A safety valve on the draining circuit (10) precludes the risk of overpressure in the event that, by mistake, the seal or valve at the top of the box becomes clogged. The performance of this stove is such that 2 combustion sessions of about 1 hour are enough to heat a room of 100 cubic meters.

Claims

CLAIMS1) Stove accumulation characterized in that it comprises a fireplace and a conductive body which: - transports the combustion gases, - absorbs the calories they contain and - diffuses them into the atmosphere by radiation. The conductive body comprises a container, a cylinder, or any container that contains a fluid or other material with a large heat capacity, which is simultaneously suitable for the accumulation of calories transmitted by the hot conduit and the transport of these calories to the outer walls This caisson is pierced by a sealed duct which will transport the hot combustion gases. The duct is lengthened to increase the heat exchange surface and to prolong the circulation time of the gases in the mass before their final evacuation. The duct may be equipped with a closure device. The box, superimposed or not on the hearth, can function as a source of autonomous heat, but can also be connected: - to other heating elements provided that its material with a large heat capacity is a fluid which directly feeds the elements of heats or transports his calories to a heat exchanger. - or to solar thermal panels. - either a geothermal heat pump, aquathermic or aerothermal, which allows the box to also access the function of cooling element or air conditioning.

2) storage stove according to the preceding claim, characterized by a closed hearth, semi-closed or open. This stove is connected to a superimposed conductive body having a spiral-shaped vertical duct. The burned gases rise obliquely and circularly in an extended circuit enveloped by a fluid with a high caloric capacity. This fluid is contained in a box. The extension of the walls of this box: - completely envelops a perforated cavity situated above that serves as an expansion vessel, to contain the excess volume of the fluid with a high specific heat, - partially envelops the furnace so that the together take on the appearance of a mass stove.

3) storage stove, according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the flue gas duct, the material of the box and the housing of the fireplace is metal, so that its empty weight without fluid with high caloric capacity allows its transportability. The box is equipped with filling and emptying apertures making it possible to fill the fluid reservoir as soon as the stove is put in place, and to drain it again if it is necessary to transport it.

4) storage stove according to claim 1 characterized in that the hot gas duct is in the form of lamellar tube - or fins - so as to increase the conductivity coefficient of this duct. 10

5) storage stove according to one of the preceding claims whose fuel is wood, wood by-products, natural gas, coal, waste derivatives, fuel or mixed wood / coal. 15

6) Storage stove according to one of the preceding claims, characterized in that the box containing the high heat capacity material contains a front thermometer (17) and / or a thermal or electronic probe. This probe is part of a regulating device (8) guiding a valve (14) or other device located at the connection to the outside air of the fireplace. The valve closes progressively until complete closure when the heat source fluid reaches the desired temperature and reopens automatically as soon as the temperature drops significantly. This closing device of the air intake channel makes it possible to regulate the temperature of the box thermostatically, electronically or manually. 25

7) storage stove according to one of the preceding claims characterized in that the walls of the box are ribbed or worked so as to enlarge its exchange surface to increase the diffusion of heat in the environment. 30 35 40