FR3057649A1 - FLUID MASS STOVE - Google Patents
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Abstract
- Dispositif de chauffage appelé « poêle de masse à fluide », réunissant les avantages des différents types de poêles existants, mais sans leurs inconvénients respectives. Il se chauffe plus rapidement que les poêles à accumulation conventionnelles car il permet une accumulation et un transport des calories par convection et non par conduction. - Il se caractérise par un caisson étanche (6) relié à un foyer (5) et contenant un matériau à forte capacité calorifique apte à la convection (un fluide). Un conduit des gaz de combustion (7) transperce le caisson (6) du bas en haut et permet au gaz de chauffer l'ensemble avant leur évacuation définitive. - Le dispositif présenté en acier est particulièrement destiné au chauffage des habitations, car outre son rendement énergétique et son confort, il est transportable et peu onéreux.- Heating device called "fluid mass stove", bringing together the advantages of the different types of existing stoves, but without their respective disadvantages. It heats up faster than conventional storage stoves because it allows convection and non-conduction accumulation and transport of calories. - It is characterized by a sealed box (6) connected to a fireplace (5) and containing a material with a high heat capacity suitable for convection (a fluid). A flue gas duct (7) pierces the box (6) from bottom to top and allows the gas to heat the assembly before their final evacuation. - The device presented in steel is particularly intended for heating homes, because in addition to its energy efficiency and comfort, it is transportable and inexpensive.
Description
(57) . Dispositif de chauffage appelé « poêle de masse à fluide », réunissant les avantages des différents types de poêles existants, mais sans leurs inconvénients respectives.(57). Heating device called "fluid mass stove", combining the advantages of the different types of existing stoves, but without their respective drawbacks.
II se chauffe plus rapidement que les poêles à accumulation conventionnelles car il permet une accumulation et un transport des calories par convection et non par conduction.It heats up faster than conventional storage stoves because it allows the accumulation and transport of calories by convection and not by conduction.
- II se caractérise par un caisson étanche (6) relié à un foyer (5) et contenant un matériau à forte capacité calorifique apte à la convection (un fluide).- It is characterized by a sealed box (6) connected to a hearth (5) and containing a material with high heat capacity suitable for convection (a fluid).
Un conduit des gaz de combustion (7) transperce le caisson (6) du bas en haut et permet au gaz de chauffer l'ensemble avant leur évacuation définitive.A combustion gas duct (7) pierces the box (6) from bottom to top and allows the gas to heat the assembly before their final evacuation.
- Le dispositif présenté en acier est particulièrement destiné au chauffage des habitations, car outre son rendement énergétique et son confort, il est transportable et peu onéreux.- The device presented in steel is particularly intended for heating homes, because in addition to its energy efficiency and comfort, it is transportable and inexpensive.
-lDESCRIPTION-lDESCRIPTION
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 »).The present invention applies to the field of domestic heating without excluding the areas of collective and industrial heating. It relates to a device which combines the advantages of conventional heating principles (stoves, radiators) with those of storage stoves (commonly called "mass stoves").
Le chauffage central a connu un grand succès à partir des années soixante. Le principe, -faire chauffer et circuler un fluide caloporteur dans un circuit d'éléments de chauffe fermée-, est simple, mais, au coût élevé de sa mise en place et de son entretien s'ajoute aujourd'hui la cherté des carburants.Central heating was a great success from the sixties. The principle, - to heat and circulate a heat transfer fluid in a circuit of closed heating elements -, is simple, but, at the high cost of its installation and its maintenance is added today the dearness of fuels.
A l'heure actuelle, le poêle à bois traditionnel suscite à nouveau l'intérêt des français. La matière constructrice et conductrice des poêles traditionnels est un métal ferreux (fer, fonte, acier...) et la conductivité thermique de ces matériaux est excellente. Cependant, ces appareils soulèvent deux problèmes :Today, the traditional wood stove is again arousing the interest of the French. The constructive and conductive material of traditional stoves is a ferrous metal (iron, cast iron, steel ...) and the thermal conductivity of these materials is excellent. However, these devices raise two problems:
- 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.- Traditional stoves require continuous fire and permanent care. Their fuel consumption (wood or wood derivatives) is substantial and makes the firewood industry flourish. However, it is obvious that the price of firewood will increase considerably in the coming years, which will make this type of heating much more expensive.
- 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.- The traditional wood heating methods (stoves, inserts, hot air recovery chimneys, pellet stoves, etc.) work mainly by convection: the air around the appliance heats, rises and disperses in the piece in a circular fashion. This causes the air to dry out and the dust circulation, which is said to be bad for the respiratory tract.
Les poêles de masse n'ont pas ces inconvénients. Leurs bienfaits sont connus : une chaleur douce et saine, peu d'assèchement d'air et une circulation de poussière limitée. S'ajoute à cela une consommation réduite et une bonne combustion. Leurs principes de fonctionnement ont été brevetés en Amérique ( US 4 406 276 A, Haas Théo, 27 sept 1983) et en France ( FR 641 642 A 7 août 1928, FR 2 522 784 Al, Bekas Frédéric, 9 septembre 1983).Mass stoves do not have these drawbacks. Their benefits are known: gentle and healthy heat, little air drying and limited dust circulation. Added to this is reduced consumption and good combustion. Their operating principles have been patented in America (US 4 406 276 A, Haas Théo, 27 Sept 1983) and in France (FR 641 642 A 7 August 1928, FR 2 522 784 Al, Bekas Frédéric, 9 September 1983).
- Ces poêles de masse ont cependant des inconvénients : leur poids, leur volume et leur prix élevé. Ces prix sont dus aux matériaux : la pierre à grande capacité calorifique (pierre ollaire, basalte etc...) est lourde, difficile à transporter et à travailler.- However, these mass stoves have drawbacks: their weight, their volume and their high price. These prices are due to the materials: the stone with high calorific capacity (soapstone, basalt etc ...) is heavy, difficult to transport and work.
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.The installation turns the home into a building site and once installed, these bulky devices become unmovable. Other disadvantages: the often limited dimensions of the hearth and the considerable time taken by the stove to begin to diffuse the heat.
Or, le matériau accumulateur principal du « poêle de masse à fluide » est l'eau. Le poêle peut donc être transporté « à vide », après quoi il suffît de le remplir d'eau ordinaire pour que l'appareil soit opérationnel. Outre d'être disponible et bon marché,However, the main storage material of the “fluid mass stove” is water. The stove can therefore be transported "empty", after which it is sufficient to fill it with ordinary water for the appliance to be operational. Besides being available and inexpensive,
-2l'eau possède une capacité thermique volumique qui est au moins de 40% supérieure à celle de la pierre réfractaire.-2 water has a volume thermal capacity which is at least 40% higher than that of refractory stone.
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.The principle of the fluid mass stove is simple: a hearth is connected to a conductive body which contains a fluid or other material with high calorific capacity.
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 par la paroi du caisson), transmission par accumulation, transmission par convection et transmission par radiation. Cette spécificité lui permet de remplir simultanément 5 fonctions :This material will absorb the calories from the hot gases in the duct 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 it "box". This box constitutes in itself a happy combination of 4 modes of heat transmission: transmission by conduction (first by the wall of the pipe and second 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) Transporter les gaz brûlés au conduit d'évacuation.1) Transport the burnt gases to the exhaust pipe.
2) Contenir une grande quantité de matériaux à forte capacité calorifique.2) Contain a large quantity of materials with high calorific capacity.
3) Absorber les calories des gaz brûlés qu'il transporte.3) Absorb the calories from the burnt gases it carries.
4) Transporter ces calories aux parois extérieures.4) Transport these calories to the outside walls.
5) Diffuser (par rayonnement) ces calories dans l'ambiance.5) Diffuse (by radiation) these calories in the atmosphere.
Ces fonctions on les retrouve également chez les poêles à accumulation (aussi appelés poêles de masse), mais ils ont tous en commun que le transport des calories est considérablement freiné par l'inertie des matériaux dont ils sont constitués (pierre, béton, brique etc...).These functions are also found in storage stoves (also called mass stoves), but they all have in common that the transport of calories is considerably hampered by the inertia of the materials of which they are made (stone, concrete, brick, etc. ...).
La différence c'est qu'ici l'inertie se passe par un fluide. Ceci a pour conséquence que l'accumulation et le transport des calories se trouvent optimalisés, puisqu'elles se font par convection et non plus par conduction.The difference is that here the inertia happens through a fluid. This has the consequence that the accumulation and transport of calories are optimized, since they are done by convection and no longer by conduction.
Si on souhaite chauffer d'autres pièces, il est possible de raccorder au caisson un circuit d'éléments radiants, équipé d'un circulateur afin de propulser le fluide caloporteur. Cet ajout transformera le dispositif en « chaudière de masse à fluide».If it is desired to heat other rooms, it is possible to connect to the box a circuit of radiant elements, equipped with a circulator in order to propel the heat transfer fluid. This addition will transform the device into a “mass fluid boiler”.
Les dessins annexés illustrent l'invention :The accompanying drawings illustrate the invention:
- La figure 1 représente un exemple d'un modèle puissant.- Figure 1 shows an example of a powerful model.
- La figure 2 représente un exemple d'un modèle d'une puissance moindre.- Figure 2 shows an example of a lower power model.
- La figure 3 représente une coupe frontale du caisson avec indication du mouvement du liquide.- Figure 3 shows a front section of the box with indication of the movement of the liquid.
- La figure 4 représente une coupe latérale du dispositif avec numération des éléments.- Figure 4 shows a side section of the device with number of elements.
- La figure 5 représente une variante avec « conduit droit à lamelles ou à ailettes » (une variante droite est plus facile à produire) avec indication du mouvement de convection du fluide et image du conduit en perspective.- Figure 5 shows a variant with "straight flap or fin duct" (a straight variant is easier to produce) with indication of the convective movement of the fluid and image of the duct in perspective.
- La figure 6 représente une variante avec « conduit droit au vis d'Archimède ».- Figure 6 shows a variant with "conduit straight to the Archimedes screw".
-3- La figure 7 représente une variante avec « conduit droit à rondelles » avec image du conduit en perspective. En référence aux dessins 1, 3 et 4, l'appareil de chauffage présenté met en valeur les capacités remarquables de deux matériaux :FIG. 7 represents a variant with “straight duct with washers” with image of the duct in perspective. Referring to drawings 1, 3 and 4, the heater presented highlights the remarkable capacities of two materials:
- pour le métal ferreux la conductivité, la rigidité et l'aptitude au rayonnement,- for ferrous metal conductivity, rigidity and ability to radiation,
- pour l'eau ta capacité thermique volumique et l'aptitude à la convection.- for water your volume thermal capacity and the ability to 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.By simultaneously exploiting the accumulation and heat exchange processes, this device provides comfort with exceptional energy efficiency. It reduces the heating work and the amount of the fuel bill.
Nous appellerons ce modèle « poêle de masse à fluide ».We will call this model “fluid mass stove”.
Il possède un grand foyer fermé, semi-fermé ou ouvert. Son manteau, comme la plupart des éléments de l'appareil, est en acier ou en acier inoxydable. Cet habillage fait partie du « caisson » (7) L'intérieur du foyer est en fonte habillé avec des plaques en vermiculite (20) pour augmenter la température dans le foyer. Le foyer est raccordé à un tube spiralé également en acier ou en inox(6) qui conduira les gaz de combustion venant du foyer et les permet de monter d'une façon oblique et circulaire dans un circuit prolongé. Cette spirale est construite par un assemblage de coudes soudés. Pour la consolidation, elle est reliée par des tiges en acier (5) aux parois du caisson. La spirale fait partie intégrante du caisson. Elle le « transperce » dans un but de prolonger le temps de circulation des gaz dans ta masse et peut être équipé d'un dispositif de fermeture.It has a large closed, semi-closed or open fireplace. Its mantle, like most parts of the device, is made of steel or stainless steel. This covering is part of the "box" (7) The interior of the hearth is made of cast iron dressed with vermiculite plates (20) to increase the temperature in the hearth. The hearth is connected to a spiral tube also made of steel or stainless steel (6) which will conduct the combustion gases coming from the hearth and allow them to mount in an oblique and circular fashion 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" it in order to prolong the time of circulation of the gases in your mass and can be equipped with a closing device.
Soudée au caisson par le bas, elle en sort librement en haut, enrobée d'un joint type feutre de fibre de verre.Welded to the box from the bottom, it comes out freely at the top, coated with a fiberglass felt seal.
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.The box is superimposed or not on the hearth (which it partially wraps so that the whole takes on the appearance of a mass stove). It includes a container, a cylinder, or any container and is connected to a gas exhaust pipe.
Il peut fonctionner comme source de chaleur autonome, mais peut aussi être connecté :It can function as an independent heat source, but can also be connected:
- 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.- or to other heating elements provided that its material with a high calorific capacity is a fluid which directly feeds the heating elements or which transports its calories to a heat exchanger.
- soit à des panneaux solaires thermiques.- or to thermal solar panels.
- 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.- either to a geothermal, aquathermic or aerothermal heat pump, which allows the box to also access the function of cooling or air conditioning element.
Le caisson est étanche (sauf en haut) et ses parois sont lisses ou bien côtelées ou travaillées de façon d'agrandir sa surface d'échange afin d'augmenter la diffusion de chaleur dans l'ambiance. Il héberge un vide (2) qui sert comme vase d'expansion pour le liquide lorsque celui-ci augmente en température. Le volume de ce vide est déterminé par l'emplacement d'une vanne ou un robinet de débordement.The box is waterproof (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 in the atmosphere. It houses a vacuum (2) which serves as an expansion vessel for the liquid when the latter increases in temperature. The volume of this vacuum is determined by the location of an overflow valve or valve.
Le caisson est équipé d'ouvertures de remplissage et de vidange permettant de remplir le réservoir de fluide dès que le poêle est mis en place, et de le vidanger à nouveau s'il est besoin de le transporterThe box is equipped with filling and emptying openings allowing the tank to be filled with fluid as soon as the stove is put in place, and to be emptied again if it is necessary to transport it
-4L'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 à la rapidité de chauffe de ia 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 caisson (17), on peut déduire les besoins en combustible : du bois sec (branches, bûches, bois de récupération, pommes de pins, dérivés de bois etc...).-4The air enters through a mouth connected to the outside air and is preheated behind the hearth (15). The hot gases follow in the form of a spiral which allows the combustion gas to heat the mass it pierces as well as possible, consisting of steel and especially water. As of the first heat, a movement of convection of the fluid (figure 2) will contribute to the speed of heating of the mass and therefore of the part. The radiation, healthy and pleasant heat specific to mass stoves, is for the most part deferred but for a small direct part: thanks to the panoramic glass hearth, the user will benefit from a direct and immediate distribution of calories: that of the radiation of the fire and embers. By comparing the activity of the fireplace with the indication of the front thermometer, integrated into the box (17), we can deduce the fuel requirements: dry wood (branches, logs, reclaimed wood, pine cones, wood derivatives, 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.The hearth can be adapted for natural gas, coal, waste derivatives, fuel oil or mixed combustion.
II est possible de connecter le caisson à une pompe à chaleur pour des apports calorifiques supplémentaires. On peut aussi connecter le caisson à un échangeur de chaleur ou à un réseau hydraulique d'éléments de chauffe (radiateurs, circuits intégrés) et chauffer ainsi des pièces supplémentaires.It is possible to connect the box to a heat pump for additional calorific contributions. It is also possible to connect the box to a heat exchanger or to a hydraulic network of heating elements (radiators, integrated circuits) and thus heat additional rooms.
A cause de la simultanéité des différents procédés de transmission de calories, le poêle se mettra pius vite à chauffer que les poêles de masse conventionnels. En même temps, il restera chaud très longtemps grâce au coefficient de stockage calorifique exceptionnel de l'eau.Because of 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 hot for a very long time thanks to the exceptional heat storage coefficient of water.
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.Once the water exceeds a certain temperature (for example 70 ° C), a draft regulator will begin to reduce the air supply using a valve (14), to close it completely at, for example 95 ° C, this to avoid boiling of the fluid.
Le clapet (ou autre dispositif situé au raccordement à l'air extérieur du foyer) est relié par une chaînette 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.The valve (or other device located at the connection to the outside air of the hearth) is connected by a chain or rod (9) to a mechanical (or electric) draft regulator (8) whose thermal (or electronic) probe is located inside the box.
II peut se rouvrir automatiquement dès que la température du fluide baisse.It can reopen automatically as soon as the temperature of the fluid drops.
Ce dispositif de fermeture du canal d'apport d'air permet donc de régler la température du caisson par voie thermostatique, par voie électronique ou bien par voie manuelle. Une soupape de sécurité sur le circuit de vidange (10) exclut le risque de surpression en cas où, par erreur, le joint ou le clapet en haut de la caisse se trouveraient colmatés.This closing device of the air supply channel therefore makes it possible to regulate the temperature of the box by thermostatic means, electronically or else manually. A safety valve on the drain circuit (10) excludes the risk of overpressure in the event that, by mistake, the gasket or the valve at the top of the body becomes clogged.
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.The efficiency of this stove is such that 2 combustion sessions of about 1 hour are enough to heat a room of 100 cubic meters.
II peut être souhaitable de ralentir la vitesse de l'accumulation des calories lorsque la taille de la cheminée ou de la pièce à chauffer est réduite. Dans ce cas il est avisé que le conduit étanche soit en forme d'un tube droit.It may be desirable to slow the rate of heat accumulation when the size of the chimney or room to be heated is reduced. In this case it is advised that the sealed conduit is in the form of a straight tube.
il peut être équipé :it can be equipped:
- soit de «lamelles » (figure 5), de façon à augmenter le coefficient de conductibilité de ce conduit en gardant une vitesse d'accumulation plutôt importante,- either "strips" (FIG. 5), so as to increase the conductivity coefficient of this conduit while keeping a rather high rate of accumulation,
-5- soit d'un «vis à Archimède » (figure 6), de façon d'obtenir une vitesse d'accumulation limitée,-5- either of an “Archimedes screw” (FIG. 6), so as to obtain a limited accumulation speed,
- soit de «rondelles » (figure 7), de façon de réduire encore plus la vitesse d'accumulation des calories.- or "washers" (Figure 7), so as to further reduce the rate of calorie accumulation.
Dans un souci de réduction des coûts de ta production, on peut opter pour un conduit étanche en tube droit nu. Dans ce cas, la baisse de rentabilité énergétique peut être compensé par un léger agrandissement du volume du caisson.In order to reduce the costs of your production, you can opt for a tight conduit in bare straight tube. In this case, the drop in energy efficiency can be offset by a slight increase in the volume of the box.
QUELQUES CHIFFRES EN COMPARAISON :SOME FIGURES IN COMPARISON:
- Capacité thermique volumique (en kilojoule par mètre cube en degré Kelvin) pierre volcanique massive: 2500 kJ/m3.°K béton terre sèche acier air eau- Volumetric thermal capacity (in kilojoule per cubic meter in Kelvin degree) massive volcanic stone: 2500 kJ / m 3. ° K concrete dry earth steel air water
22502250
13501350
41304130
1,251.25
42004200
- Conductivité thermique (en Watt par mètre en degré Kelvin) béton eau acier- Thermal conductivity (in Watt per meter in Kelvin degree) concrete water steel
1,20 w/m.°K 0,60 551.20 w / m. ° K 0.60 55
- L'augmentation de la température de l'eau peut provoquer une expansion volumique maximale de 4%.- The increase in water temperature can cause a maximum volume expansion of 4%.
-6NUMEROTATION CONCERNANT LA FIGURE 4 (en italique : accessoires facultatives)-6 NUMBERING CONCERNING FIGURE 4 (in italics: optional accessories)
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