WO2014029933A1 - Micro-cogeneration device suitable for biomass boilers - Google Patents

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WO2014029933A1
WO2014029933A1 PCT/FR2013/051878 FR2013051878W WO2014029933A1 WO 2014029933 A1 WO2014029933 A1 WO 2014029933A1 FR 2013051878 W FR2013051878 W FR 2013051878W WO 2014029933 A1 WO2014029933 A1 WO 2014029933A1
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WO
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evaporator
enclosure
heat
electricity
fluid
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PCT/FR2013/051878
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French (fr)
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Alain MEMPONTEIL
Alain BENGAOUER
Thiébaut KIENTZ
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Exoes
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Publication date
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    • Y02E20/14Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the present invention relates to the micro-cogeneration of electricity and heat for essentially domestic applications.
  • micro-cogeneration refers mainly to low to moderate powers, of the order of a few kilowatts of electricity. More particularly, the invention relates to a device that is installed on a biomass boiler to draw its thermal energy to both produce electricity and heat the water of a building.
  • the residual carbon is oxidized in an exothermic reaction in two stages: a first transformation to slightly exothermic carbon monoxide (CO), and oxidation of CO to carbon dioxide (CO 2 ) corresponding to a very exothermic reaction .
  • the gases generated during the two phases release energy into the combustion volume of the biomass boiler in the presence of oxygen injected either through the biomass bed or directly into the combustion volume of the gases.
  • This heat is produced by combustion in biomass boilers, which are now available on the market and which are available in several architectures to optimize energy efficiency. These different architectures play on the modes of combustion. For example, natural draft combustion or reverse combustion with forced or forced draft. On the other hand, the Fuel conditioning has improved the performance of biomass boilers. It is however also necessary to optimize the techniques for collecting this heat to return it in a useful form, for example in the form of electricity or hot water.
  • the heat resulting from the combustion of the biomass can advantageously be collected in two stages, by the use of two exchangers placed in series on the path of the fumes emitted by the boiler.
  • a first exchanger placed in the zones where the combustion of the biomass takes place, at temperatures in the region of 800 ° C. makes it possible to vaporize the water of a circuit connected to a domestic tank.
  • a second exchanger placed downstream of the first exchanger in an area where the smoke is at lower temperatures (of the order of 200 ° C.) makes it possible to collect an additional quantity of the thermal energy emitted by the boiler and to restore it to the same domestic tank.
  • the device described in this document does not include efficient means for the micro-cogeneration of electricity and heat, and is a biomass boiler per se, unable to adapt to a biomass boiler that is found in the trade.
  • biomass boilers designed for micro-cogeneration as for example that proposed by Jozef Huzvàr and Patrik Nemec in "Proposai of heat exchanger in micro-cogeneration unit, configuration with biomass combustion", the reference being accessible on the link next :
  • the device proposed in this document is an original biomass boiler, extracting heat from high temperature zones by means of a heat exchanger to drive a current generating motor and extracting thermal energy from the lower temperature zones at the same time. using a second exchanger communicating with a fluid circuit for heating with domestic water.
  • the object of the present invention is to provide a device for the micro-cogeneration of electricity and heat that can be installed on a domestic biomass boiler of the type found on the market, by optimizing the portion of thermal energy converted into electricity.
  • the present invention relates to a cogeneration device for electricity and domestic heating capable of extracting thermal energy from a biomass boiler, said biomass boiler comprising:
  • Substantially tubular cavities arranged near the outer periphery of the enclosure,
  • the device further comprising:
  • an electricity generator adapted to generate electricity from a thermodynamic cycle engine, said power generator being connected to said evaporator,
  • a first closed fluid circuit carrying the fluid exiting from said evaporator to the input of said power generator, and the fluid exiting from said power generator towards the inlet of said evaporator; a second heat exchanger, in contact with said substantially tubular cavities, located on the outer periphery of the enclosure of said biomass boiler, ⁇ a second closed fluid circuit, forming a domestic heating circuit said second heat exchanger being connected to said domestic heating circuit.
  • the evaporator has, facing the focus, a thermal radiation capture surface, and having on the outer periphery of the evaporator, a thermally insulating layer.
  • the evaporator thus forms a heat shield between the radiation from the hearth and the walls of the enclosure.
  • the thermally insulating layer is interposed between the first heat exchanger and the walls of the enclosure in particular to thermally isolate the two heat exchangers.
  • the radiation capture surface includes a tubing, describing a fluid flow path.
  • the device proposed by the Applicant is therefore a set of elements allowing the extraction of a fraction of the heat produced inside a biomass boiler.
  • a biomass boiler having at least one fireplace, and an enclosure surrounding the fireplace is required to accommodate the characteristic evaporator.
  • This evaporator forms a heat exchanger which extracts the heat transmitted via a substantially radiant transfer mode in the enclosure surrounding the focus of the biomass boiler.
  • the combustion of the biomass requires having a high temperature, generally between 500 ° C and 900 ° C. At these temperatures, the gases, the dust and the hot walls inside the enclosure surrounding the hearth radiate thermal energy that is captured by the evaporator. Convection is another mode of transfer that participates in heat transfer to the evaporator, although it occupies a less important place.
  • the particular geometry of the evaporator, arranged all around the furnace of the boiler makes it possible to avoid losses of radiation towards the outside of the enclosure surrounding the furnace, while optimally capturing the radiation produced in the center of the furnace. pregnant surrounding the hearth.
  • the thermally insulating layer formed on the outer periphery of the evaporator makes it possible to limit the radiative leakage from the enclosure containing the hearth towards the walls of the enclosure containing the hearth.
  • the evaporator transmits this sensed thermal energy to the fluid flowing through it, which fluid can advantageously pass from the liquid state to the vapor state, and then actuates a motor thermodynamic cycle in an electricity generator.
  • the object of the invention is therefore essentially to optimize the share of electric energy produced in a biomass boiler for the cogeneration of electricity and heat by optimizing the portion of energy, essentially radiative, transmitted to the evaporator inserted in a biomass boiler.
  • the first heat exchanger, the electricity generator and the first fluid circuit thus form a closed fluid circuit, making it possible to transform part of the thermal energy of the furnace hearth into electricity.
  • the first heat exchanger is placed in an area of the boiler where the temperature is high, between 500 ° C and 900 ° C, in order to evaporate a fluid flowing through the heat exchanger to actuate a thermodynamic cycle of an electric generator .
  • the biomass boiler on which the Applicant's device is installed, advantageously has an architecture for installing a second heat exchanger on a substantially peripheral area to the enclosure surrounding the fireplace.
  • a second heat exchanger which is installed in contact with the substantially tubular cavities is part of a closed second fluid circuit which is heated by the flue gases circulating in the substantially tubular cavities.
  • the first circuit and the second circuit form two separate closed fluidic circuits to allow the first fluid circuit to generate electricity and the second fluid circuit to provide home heating.
  • the need for thermal energy being different for these two applications, the two fluid circuits are advantageously separate to optimally convert the thermal energy produced by the biomass boiler.
  • the first heat exchanger is placed in the enclosure in contact with the fireplace to allow the transfer of sufficient thermal energy for the operation of an electricity generator.
  • the second heat exchanger is placed outside and on the periphery of the enclosure to provide the thermal energy necessary for domestic heating. Specifically, the first heat exchanger is in contact with a zone whose temperature is generally between 500 ° C and 900 ° C, the second heat exchanger is in contact with areas where the temperature of the smoke is around 200 ° C.
  • a thermally insulating layer is advantageously interposed between the two heat exchangers in order to maintain this temperature difference between the exchangers.
  • the nozzle of the evaporator is configured in a helicoid with contiguous turns.
  • This particular geometry of the evaporator makes it possible to encircle the inner periphery of the enclosure surrounding the hearth, and thus to optimize the share of thermal energy transmitted by radiation to the evaporator. Since the turns are contiguous, the total area that the evaporator occupies on the side walls of the enclosure surrounding the hearth is increased, and the radiative leakage from the enclosure surrounding the hearth and between the helical-forming turns are greatly reduced. It is possible, however, that the turns are not completely contiguous, radiative leakage to the outside of the enclosure containing the focus being limited by the presence of a thermally insulating layer on the outer periphery of the evaporator.
  • the evaporator is the assembly of at least one substantially cylindrical metal plate corrugated on a substantially cylindrical metal plate, the corrugations of the substantially cylindrical corrugated metal plate defining a circulation path of the fluid on the periphery inside the evaporator.
  • This particular geometry of the evaporator makes it possible to encircle the inner periphery of the enclosure surrounding the hearth, and thus to optimize the share of thermal energy transmitted by radiation to the evaporator.
  • the substantially cylindrical metal plate may for example be a sheet.
  • the non-corrugated sheet forms a heat shield that does not allow the radiation to pass through the depressions formed by the corrugated sheet.
  • the radiative leakage from the enclosure surrounding the hearth is greatly reduced.
  • this particular embodiment has substantially the same advantages as a helicoid with contiguous turns. It may also have a greater freedom in terms of design: it may for example lead to the realization of more advantageous forms for the heat transfer and / or the mechanical strength of the evaporator and / or its manufacturing cost. A method of manufacture by hydroforming can meet these criteria.
  • the boiler may comprise a structure forming a heat shield advantageously having a skirt shape, in the extension of the evaporator, the skirt being integral with the evaporator and being disposed on one end of the evaporator.
  • This heat shield makes it possible, on the one hand, to participate in maintaining a higher temperature in the enclosure surrounding the hearth, which makes it possible to burn the fuel better. biomass, and allows on the other hand to increase the proportion of thermal energy transmitted to the evaporator.
  • the biomass boiler also comprises a tubular metal structure forming a ferrule positioned above the hearth.
  • Biomass boilers that include a ferrule above the fireplace can improve combustion in the enclosure surrounding the home by restricting the flow of fumes from the combustion of biomass.
  • a ferrule participates in the emission of heat by radiation, because of its high temperature. The radiation of the ferrule is thus transmitted to the evaporator, contributing to an optimization of the proportion of thermal energy of the biomass boiler transmitted to the evaporator to supply the electricity generator.
  • the thermally insulating layer of the evaporator may be a layer made from a fibrous material.
  • the insulation of the surface forming the outer periphery of the evaporator is preferable to prevent the walls of the evaporator from transmitting a portion of the heat stored by these walls to the wall of the enclosure surrounding the fireplace.
  • the thermal energy that would be transmitted to the wall of the enclosure surrounding the hearth would not participate in raising the temperature of the fluid flowing in the evaporator, and would therefore be considered lost.
  • thermally insulating the surface forming the outer periphery of the evaporator such heat losses do not occur.
  • the use of fibers, such as rock wool, or a rigid material such as ceramic fiber advantageously meet the need for thermal insulation formulated above.
  • the device comprises a metal element forming a radiating web disposed at least partially facing the inner surface of the evaporator.
  • the use of a radiating veil provides several advantages.
  • the radiating web at high temperature, for example when the biomass boiler is operating, which corresponds to temperatures typically between 500 ° C. and 900 ° C., the radiating web re-emits heat by radiation, which heat is absorbed at less in part by the evaporator.
  • the radiating veil can by its geometry particular to participate in a stabilization of the temperature in the enclosure surrounding the hearth.
  • the temperature in the enclosure surrounding the fireplace varies as the rate of oxidizer (oxygen) fluctuates in the fireplace. As the rate of oxidizer increases, the temperature decreases, and convection becomes an increasingly important heat transfer mode in the heat exchange in the enclosure surrounding the hearth.
  • the radiating web captures this thermal energy by convection, and restores it by radiation, this radiation being absorbed at least in part by the evaporator.
  • the radiating web comprises a set of substantially rectangular metal plates disposed in a circle and perpendicular to the perimeter of said circle.
  • the pads of the radiating web are all connected by two metal rings, these rings being in contact with two diametrically opposite ends of each of said plates, said plates comprising two diametrically opposed strips partially cut on two opposite sides of said plate and folded in opposite directions.
  • the first closed fluidic circuit is provided with means adapted to actuate a mechanism for bypassing the electricity generator.
  • This bypass mechanism ensures the maintenance of the flow in the first fluid circuit in the event of failure of the electricity generator and / or in the starting and / or stopping phases of said electricity generator. Moreover, this bypass mechanism can advantageously be controlled remotely and automatically in case of failure or problem on the apparatus serving as an electricity generator according to a motor thermodynamic cycle.
  • the first closed fluidic circuit comprises a condenser connected to the electricity generator, able to exchange the residual heat output of the electricity generator with the domestic heating circuit. This heat energy can also be returned to the domestic heating circuit, whether in a hot water tank or at any other point in the domestic heating circuit.
  • the first closed fluidic circuit comprises a condenser connected to the electricity generator, able to exchange the residual heat output of the electricity generator with a third closed fluid circuit.
  • the use of a condenser makes it possible to recover the residual heat energy at the output of the apparatus serving as an electricity generator according to a motor thermodynamic cycle. This thermal energy is thus transferred to a third closed fluid circuit, said thermal energy can then be reused elsewhere according to the needs of the user.
  • the third closed fluidic circuit comprises a recuperative heat exchanger in contact with the domestic heating circuit.
  • the residual thermal energy recovered in the third closed fluid circuit is returned to the second domestic heating fluid circuit to further heat the fluid flowing in this circuit.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a biomass boiler provided with a micro-cogeneration device of electricity and heat showing three fluid circulation circuits, according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic perspective view of an evaporator provided with a heat shield skirt
  • Figure 3 is a perspective view of a radiating web
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of a possible arrangement of the fluidic circuits of a biomass boiler equipped with the microcheater of electricity and heat of the invention according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a diagrammatic representation of a possible arrangement of the fluidic circuits of a biomass boiler equipped with the microcheater of electricity and heat of the invention according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of an evaporator according to a fourth embodiment.
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to a fifth embodiment of the invention
  • Figure 9 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to a sixth embodiment of the invention.
  • the device as illustrated in Figure 1, comprises a domestic biomass boiler of the type found on the market.
  • the boiler architecture shown in FIG. 1 is that of a forced draft rising heat type boiler, but the proposed device can also be used for other boiler architectures provided that it possesses the elements that are presented. hereinafter.
  • the boiler of FIG. 1 shown diagrammatically in section, has a duct 1 for conveying the biomass fuel (pellet, wood, organic material) as well as providing an air inlet 2, forming a source of oxidant (oxygen) , and therefore oxygen to the furnace 3 of the boiler in which fuel and oxidant (oxygen) can generate the exothermic reactions.
  • a shell 4 placed above the firebox 3 confines the combustion of the biomass and makes it possible to constrain along a substantially vertical axis the flow of smoke and gases escaping from the hearth 3 when the boiler is operating. In operation, the fumes from the boiler escape the hearth 3 to stay inside an enclosure 5 in which the exothermic reactions continue.
  • This enclosure 5 is closed on its upper part by a cover 23 making the enclosure 5 thermally insulated.
  • the residence time of the fumes in the chamber 5 is long enough to allow complete combustion of the biomass.
  • the absence of convection on cold surfaces makes it possible to avoid a large local cooling of the gases that can affect the efficiency of the combustion.
  • the enclosure 5 has in its lower part, near the hearth 3, openings forming a passage 10 allowing the smoke to escape.
  • Smoke is understood to mean both the combustible gases produced by the pyrolysis of the biomass and the oxidation of the residual carbon that the flue gases contained in the boiler.
  • the fumes produced by the combustion of the biomass pass through a second chamber before going up through substantially tubular cavities 11 that can advantageously be cylindrical or constitute a tubular ring, distributed over at least a portion of the circumference of the boiler.
  • These cavities 11 are not in direct contact with the outer walls of the enclosure 5.
  • the cavities 11 may and preferably are themselves surrounded by an empty cavity in which a fluid can flow.
  • This set of cavities may serve to define an exchanger 12.
  • Ventilation means 14 are placed on the outlet of the flue gas path resulting from the combustion of the biomass, in order to impose a flow direction on said flue gases. It is apparent from the description that has just been made of the path of the smoke produced by the biomass boiler that this smoke follows a sinuous path from the hearth 3 to the third enclosure 13. This type of path makes it possible to separate areas where the temperature of the smoke is high (around 700 ° C near the hearth 3), areas where the temperature of the smoke is more moderate (around 200 ° C in cavities 11). On the other hand, by lengthening the path that follows the smoke, the temperature gradient of said smoke in the boiler is lower and avoids sudden temperature changes, while decreasing the temperature of the smoke output of Boiler.
  • the enclosure 5 of a biomass boiler as described above is equipped with a first heat exchanger 6 also called an evaporator, forming part of integral part of a closed fluidic circuit 100.
  • the evaporator 6 comprises a pipe made of a material having good properties of mechanical and thermal conduction, wound so as to form a helicoid with contiguous turns, describing a circulation path on a surface intended to to be arranged facing the focus 3 and / or the shell 4, and at least partially in contact with the walls of the enclosure 5.
  • a detailed diagram of an evaporator 6 according to this embodiment of the invention is shown in Figure 2. It may be in an alternative embodiment that the turns of the evaporator 6 described above are not contiguous.
  • an evaporator 6 having a different geometry so for example to adapt to the size and shape of the enclosure 5 of the biomass boiler.
  • the evaporator pipe 6 is designed to circulate a fluid within said pipe, and withstand the high pressures of a gas able to flow in the pipe. Because of its small size, the evaporator 6 does not require specific approval and does not present any particular risk arising from the possible presence of high pressure gas in the pipe constituting the evaporator 6. Connections are provided for connect the ends of the pipe of the evaporator 6 to the closed fluid circuit 100.
  • the boiler may also comprise a skirt 7, integral with the evaporator 6 and arranged in the extension of the helical structure with contiguous turns formed by the pipe. This skirt 7 serves radiative screen so as to avoid a loss of heat inside the chamber 5 by radiation under the evaporator 6.
  • the radiation of the shell 4 can escape of the enclosure 5 without transferring heat to the fluid of the evaporator 6.
  • the skirt 7 radiating screen makes it possible to return this thermal energy to the enclosure 5, which contributes to not unnecessarily lowering the temperature of the enclosure 5 and thus to favor a better combustion of the mass mass and to guarantee a higher temperature in the enclosure 5.
  • the evaporator 6 may be the arrangement of at least two metal plates or at least two sheets. These sheets can be welded to each other so as to describe a circuit, and the injection of a pressurized fluid into the non-welded space between the two sheets allows by hydroforming to create ripples in space between the two sheets thus defining a tubular flow path for a fluid, over the entire surface formed by the sheet defining the outer wall of the evaporator 6.
  • the evaporator 6 does not show, as in the case of the helicoid with contiguous turns, no through opening can let out thermal energy by radiation between two corrugations of the tubing defining the flow path of the fluid.
  • the sheet defining the outer wall of the evaporator may have thermal insulation properties.
  • the evaporator 6, 60, 600 comprises a layer of thermal insulation 8, 80, 800 disposed on the outer periphery of the evaporator 6, 60, 600, interposed between the walls of the enclosure 5, 50, 500 and the evaporator 6, 60, 600.
  • This thermal insulation 8, 80, 800 also allows to avoid heat losses by radiation to the outside of the enclosure 5, 50, 500 from the evaporator 6, 60, 600. Thus, the heat energy transmitted by radiation is used more effectively in the enclosure 5, 50, 500.
  • This thermally insulating layer 8, 80, 800 in particular makes it possible to obtain less than 20% loss of thermal energy captured by the evaporator 6, 60, 600. It can be fibrous, and comprise rock wool or ceramic fiber for example.
  • the skirt 7 and the insulating layer 8 are elements that are useful for optimizing the heat transfer modes in the chamber 5 towards the evaporator 6. By making it possible to maintain the temperature in the enclosure 5 without loss of heat to the outside of the enclosure 5, these elements allow an increase in the temperature of a value close to 100 ° C, to reach up to 900 ° C in a domestic biomass boiler.
  • Such a temperature makes it possible, on the one hand, to increase the emission of radiation, and therefore to give greater advantage to this mode of heat transfer in the enclosure 5 towards the evaporator 6.
  • the particles with a high temperature of the smoke produced by the combustion of the biomass in the enclosure 5, the walls of the shell 4, the walls of the evaporator 6 and so-called participative gases (such as carbon monoxide and water vapor) radiate from the energy which is at least partially transmitted in fine to the fluid flowing in the evaporator 6.
  • the radiation is the dominant heat transfer mode in the chamber 5 and it has the additional advantage of extracting thermal energy the entire volume of smoke, gases and particles present in the chamber 5, and not only the energy of the gases and particles in direct contact with the walls of the evaporator 6.
  • the other two modes of heat transfer namely conduction and convection are themselves if implemented to heat the fluid of the evaporator 6.
  • the circulation, although reduced and strongly constrained, of the smoke inside the chamber 5, ensures homogenization of the temperature in the enclosure 5 and therefore contribute to convective heat transfer.
  • the main thermal transfer mode implemented in the evaporator 6 between the metal pipe forming a helicoid with contiguous turns and the fluid flowing in said pipe is the conduction in the material forming said pipe.
  • An elevated temperature in the enclosure 5, favoring radiation heat transfer provides another considerable technical advantage which is that of significantly reducing the fouling of the walls of the enclosure 5 and the evaporator 6.
  • the enclosure 5 is advantageously a cavity, of which the only thermal outlet for the radiative energy, with the exception of the flue gas outlet, is the evaporator 6 and in which all the walls are thermally insulated.
  • This radiating web 9 is in the form of a set of plates 92 arranged on the perimeter of a circle, each plate 92 being disposed perpendicularly to said circle, and said plates 92 are all held at their upper and lower ends by two metal annular structures 91 connecting the plates 92 by diametrically opposite ends.
  • the plates 92 advantageously have strips 93 partially cut in said plates 92 near two opposite ends of said plates 92, and folded in opposite directions so as to generate convection movements of the smoke in the lower part of the enclosure 5.
  • This particular radiating sail geometry 9 creates a flow of smoke favoring the convective transfer of heat to the radiating veil 9.
  • the absorption of this heat by the radiating veil 9 raises the temperature of the latter which re-emits thermal energy by radiation in part towards the evaporator.
  • Other geometries are conceivable to constitute a radiating veil 9, and their manufacture is now well documented in the prior art.
  • the radiating veil 9 also fulfills other interesting functions. Its temperature being higher than that of the evaporator 6, the gases of the smoke in contact with the radiating web 9 remain at temperatures sufficient for the combustion to continue in the enclosure 5, which among other things has the effect of reducing moreover the fouling in this part of the enclosure 5.
  • the shape of the radiating web can be optimized so as to promote a good mixture between fuel and oxidant (oxygen), so as to further improve the efficiency of the boiler .
  • the radiating veil plays a stabilizing role on the temperature inside
  • the variations in concentration in the fuel / oxidant mixture cause temperature changes in the boiler, insofar as a higher concentration of oxygen (oxidizer) decreases the combustion temperature and gives rise to a decrease in radiative transfer.
  • the convection in the enclosure 5 also increases due to the larger volume of smoke. Thanks to the radiating veil 9, this increase in convection contributes to raising the temperature of the radiating web which retransmits this heat by radiation to the evaporator 6.
  • the heat, resulting from the combustion of the biomass, and collected in the enclosure 5 by the fluid flowing in the evaporator 6, makes it possible to change the liquid / gas phase of the fluid flowing in the evaporator 6. It is also possible to simply raise the temperature of the circulating liquid in the evaporator 6 without necessarily induce phase change, although this is not a preferred mode of operation of the device.
  • the pressurized gas generated by this heat transfer in the evaporator 6 then travels along the closed fluidic circuit 100 firstly up the evaporator 6 to an electricity generator advantageously operating according to a motor thermodynamic cycle of the type Rankine 16.
  • the pressurized gas is used to start a Rankine cycle in this electricity generator 16, which generates electricity by operating an alternator.
  • the valve 15 makes it possible to configure the closed fluidic circuit 100 in two positions, namely: a first position of the valve 15 connects the evaporator 6 to the electricity generator 16, and a second position of the valve 15 connects the evaporator 6 directly to the condenser 18 without passing through the electricity generator 16. This switching from one position to the other can be operated automatically in the event of failure of the electricity generator 16 or during the phases of operation. stop and start. Moreover, other means of bypassing the motor valve 15 are possible.
  • the closed fluidic circuit 100 comprises a lifting pump 19 connecting the condenser 18 to the evaporator, ensuring a continuous circulation of the fluid in the closed fluidic circuit 100, and making it possible to maintain an adequate pressure of the fluid in upstream of the electricity generator 16.
  • the gases, particles and other emissions due to the combustion of the biomass flow from the enclosure 5 through the openings forming a passage 10 to a second chamber located under the enclosure 5 and then to the cavities 11 located around the enclosure 5 and on at least a portion of the circumference of the biomass boiler.
  • This fluid circuit 200 corresponds for example to the water heating of a building. It may, for example, include domestic heating means, such as radiators 22.
  • the sections of this second fluid circuit 200 in contact with the walls of the cavities 11 form a second heat exchanger 12.
  • the temperature of the flue gases in the ducts 11 being of the order of 200 ° C, the main mode of heat transfer in this second exchanger 12 is not the radiation but the convection of the smoke in the ducts 11, followed by a conduction of heat in the walls of the second exchanger 12. Due to the lower temperatures of the order of 200 ° C prevailing in the ducts 11, the walls of these ducts are obviously more prone to fouling than the enclosure 5. For this reason, it is advantageous to provide means for sweeping 24 ducts 11, which may for example be arranged in the chamber 13 located on the upper part of the biomass boiler.
  • Such an arrangement for the second fluidic circuit 200 has been experimentally validated as making it possible to optimize the proportion of electrical energy produced from the heat extracted from the combustion of the biomass. Indeed, it is recommended to extract most of the heat generated by the combustion of the biomass by a transfer mode radiating in the chamber 5, which implies inter alia having a low surface area to volume ratio, and to draw the remaining thermal energy by an essentially convective mode of heat transfer in a zone of lower temperature, which implies having a high surface area to volume ratio.
  • the conversion of thermal energy into electrical energy is thus optimized, and the temperature difference between the fumes at about 200 ° C. in the ducts 11 on the one hand and the fluid flowing in the second fluid circuit 200 on the other hand, is enough to efficiently heat a building. Furthermore, the contact surface between the smoke flowing in the ducts 11 and the walls of said duct 11 is greater than in the enclosure 5, which is relevant to promote heat exchange based on convection.
  • the invention may also comprise a third closed fluid circuit 300, which makes it possible to reuse the residual heat energy in output of the electricity generator 16 in the condenser 18 to reinject it into the second fluid circuit 200 via a recuperator exchanger 21.
  • the condenser 18 serves as an interface between the first closed fluid circuit 100 and the third closed fluid circuit 300
  • the recuperator exchanger 21 serves as an interface between the third closed fluid circuit 300 and the second fluid circuit 200.
  • the third closed fluidic circuit 300 can be traversed by a fluid having a high heat capacity, for example water.
  • the latter can advantageously comprise a pump 20. This recovery of the residual heat energy at the output of the electricity generator 16 makes it possible to obtain cogeneration substantially equal to the efficiencies obtained in heating systems without cogeneration devices.
  • the architecture of the domestic boiler on which the device is installed can be substantially different in its shape, its dimensions and its mode of combustion.
  • FIG. 8 shows, by way of nonlimiting example, a variant of a biomass boiler for the micro-cogeneration of electricity and heat in which the arrangement of the various elements presented above differs substantially from a biomass boiler. with forced draft heat.
  • the fumes follow a sinuous path from the fireplace 30 to the ventilation means 140 to the outside.
  • the exchanger 120 associated with the domestic heating circuit 200 is distributed both on the outer periphery of the enclosure 50, and at a distance from this enclosure, in the vicinity of the outlet mouth of the fumes.
  • the biomass boiler for the micro-CHP does not contain a ferrule around the hearth 30, but an enclosure made of refractory materials 40.
  • This enclosure 40 fulfills the same functions as a ferrule, namely ensure guiding fumes and promote a rise in the combustion temperature.
  • the enclosure 50 comprises on its side walls an evaporator 60, a skirt 70, a thermally insulating layer 80 and its upper part is covered by a wall 230 partially forming a lid.
  • the mouth of the chamber 40 containing the hearth 30 may be equipped with a radiating web 90.
  • the smoke escapes from the enclosure 50 through an opening disposed on the upper part of one of the side walls of the enclosure 50, as shown in FIG. 8.
  • Figure 9 shows another variant given by way of non-limiting example of a biomass boiler for the micro-cogeneration of electricity and heat equipped with the device of the present invention.
  • the biomass boiler shown in Figure 9 is a forced draft reverse combustion boiler.
  • a ventilation means 1401 conveys oxidant into a hearth 330 and forces the gases and fumes produced by combustion to circulate to an enclosure 500 located below said hearth 330.
  • the enclosure 500 comprises an evaporator 600 on its side walls and an insulating layer 800, a skirt 700, but the fumes escape from the enclosure 500 through substantially tubular zones 1100 located above the hearth 330 and not on the immediate outer periphery of enclosure 500.
  • the substantially tubular zones have walls in contact with the second heat exchanger 1200 associated with the domestic heating circuit 200.
  • the heating circuit of a building 200 can be directly connected to the condenser 18 of the first closed fluid circuit 100. In this way, it is not necessary to use a third fluid circuit. closed 300.
  • a variant proposes to connect the third closed fluid circuit 300, when present, directly to the domestic heating means 22, which may be radiators, water tanks or other.

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Abstract

The invention relates to a domestic device for the cogeneration of electricity and heat, suitable for extracting heat energy from a biomass boiler, said biomass boiler comprising: a furnace; a chamber in contact with the furnace; and substantially tubular cavities arranged close to the outer periphery of the chamber, and said device comprising: a first heat exchanger forming an evaporator capable of being inserted in said chamber of said biomass boiler; an electric generator capable of generating electricity from a driving thermodynamic cycle, said electric generator being connected to said evaporator, a first closed fluid circuit feeding a fluid released from said evaporator toward the inlet of said electric generator, and said fluid released from said electric generator toward the inlet of said evaporator; a second heat exchanger, in contact with said substantially tubular cavities located on the outer periphery of the chamber of said biomass boiler; and a second fluid circuit forming a domestic heating circuit, said second heat exchanger being connected to said domestic heating circuit, said evaporator having, opposite the furnace, a surface for capturing heat radiation, and having a thermally insulating layer on the outer periphery of said evaporator, said evaporator forming a heat screen between the radiation from the furnace and the walls of the chamber, said surface including a tube system forming a circulation path for said fluid.

Description

DISPOSITIF POUR LA MICRO-COGENERATION ADAPTE A DES CHAUDIÈRES A BIOMASSE DEVICE FOR MICRO-COGENERATION ADAPTED TO BIOMASS BOILERS
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. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the micro-cogeneration of electricity and heat for essentially domestic applications. The term micro-cogeneration refers mainly to low to moderate powers, of the order of a few kilowatts of electricity. More particularly, the invention relates to a device that is installed on a biomass boiler to draw its thermal energy to both produce electricity and heat the water of a building.
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 (C02) 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. STATE OF THE ART The increasing energy needs of the world's population require the development of increasingly sophisticated techniques of local energy production. In this context, energy production tends to become more and more decentralized and respond to moderate energy needs. Indeed, the production of electrical powers of the order of a few kilowatts for localized applications is an interesting alternative to medium and large power plants, especially in isolated sites. Thus, the use of biomass is part of today's energy mix. Biomass is an abundant resource of organic matter of plant origin that releases chemical energy during its combustion. The energy produced by the combustion of biomass comes from a two-phase process. In a first phase, the biomass is pyrolyzed with production of combustible gas. In a second phase, the residual carbon is oxidized in an exothermic reaction in two stages: a first transformation to slightly exothermic carbon monoxide (CO), and oxidation of CO to carbon dioxide (CO 2 ) corresponding to a very exothermic reaction . The gases generated during the two phases release energy into the combustion volume of the biomass boiler in the presence of oxygen injected either through the biomass bed or directly into the combustion volume of the gases.
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. This heat is produced by combustion in biomass boilers, which are now available on the market and which are available in several architectures to optimize energy efficiency. These different architectures play on the modes of combustion. For example, natural draft combustion or reverse combustion with forced or forced draft. On the other hand, the Fuel conditioning has improved the performance of biomass boilers. It is however also necessary to optimize the techniques for collecting this heat to return it in a useful form, for example in the form of electricity or hot water.
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. The heat resulting from the combustion of the biomass can advantageously be collected in two stages, by the use of two exchangers placed in series on the path of the fumes emitted by the boiler. Thus, as proposed in document US Pat. No. 4,583,495, a first exchanger placed in the zones where the combustion of the biomass takes place, at temperatures in the region of 800 ° C., makes it possible to vaporize the water of a circuit connected to a domestic tank. A second exchanger placed downstream of the first exchanger in an area where the smoke is at lower temperatures (of the order of 200 ° C.) makes it possible to collect an additional quantity of the thermal energy emitted by the boiler and to restore it to the same domestic tank. The device described in this document however does not include efficient means for the micro-cogeneration of electricity and heat, and is a biomass boiler per se, unable to adapt to a biomass boiler that is found in the trade.
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 : There are also biomass boilers designed for micro-cogeneration, as for example that proposed by Jozef Huzvàr and Patrik Nemec in "Proposai of heat exchanger in micro-cogeneration unit, configuration with biomass combustion", the reference being accessible on the link next :
(htip: y Ywww.mtf. stuha.sk/ 'docs/internetovy^asopis/lOll/mimoriadne^islo/hiizvarj em ec.pdf).  (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.  The device proposed in this document is an original biomass boiler, extracting heat from high temperature zones by means of a heat exchanger to drive a current generating motor and extracting thermal energy from the lower temperature zones at the same time. using a second exchanger communicating with a fluid circuit for heating with domestic water.
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. Another example of a biomass boiler designed for micro-cogeneration is the Bison boiler marketed by Exoès (see, for example, http://www.exoes.com/bison/produitphp). This pellet boiler produces electrical energy from the combustion of biomass through a thermodynamic Rankine cycle fed by heat drawn with an evaporator whose geometry is designed to extract the convective thermal energy in the enclosure of the boiler. The evaporator of this boiler does not optimize the thermal energy extracted by the radiative transfer mode. The use of heat-absorbing structures transmitted by convection into the flue gases for rendering it in the form of radiation is an advantageous practice proposed, for example, in the documents US Pat. No. 5,365,888, US Pat. No. 4,113,009 and WO 96/41101. However, these techniques are not applicable to domestic biomass boilers, since the latter sometimes have geometries designed to promote convective heat transfer, especially for heating applications and for which the structures proposed in these documents. do not transpose directly into such devices.
EXPOSE DE L'INVENTION SUMMARY OF THE 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. The object of the present invention is to provide a device for the micro-cogeneration of electricity and heat that can be installed on a domestic biomass boiler of the type found on the market, by optimizing the portion of thermal energy converted into electricity.
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 : To achieve this, the present invention relates to a cogeneration device for electricity and domestic heating capable of extracting thermal energy from a biomass boiler, said biomass boiler comprising:
• un foyer,  • a home,
• une enceinte en contact avec le foyer,  • an enclosure in contact with the fireplace,
• des cavités sensiblement tubulaires agencées à proximité de la périphérie extérieure de l'enceinte,  Substantially tubular cavities arranged near the outer periphery of the enclosure,
le dispositif comportant par ailleurs :  the device further comprising:
un premier échangeur thermique formant un évaporateur apte à être inséré dans ladite enceinte de ladite chaudière à biomasse, a first heat exchanger forming an evaporator adapted to be inserted into said chamber of said biomass boiler,
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, an electricity generator adapted to generate electricity from a thermodynamic cycle engine, said power generator being connected to said evaporator,
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. a first closed fluid circuit carrying the fluid exiting from said evaporator to the input of said power generator, and the fluid exiting from said power generator towards the inlet of said evaporator; a second heat exchanger, in contact with said substantially tubular cavities, located on the outer periphery of the enclosure of said biomass boiler, a second closed fluid circuit, forming a domestic heating circuit said second heat exchanger being connected to said domestic heating circuit.
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. In this device, the evaporator has, facing the focus, a thermal radiation capture surface, and having on the outer periphery of the evaporator, a thermally insulating layer. The evaporator thus forms a heat shield between the radiation from the hearth and the walls of the enclosure. More specifically, the thermally insulating layer is interposed between the first heat exchanger and the walls of the enclosure in particular to thermally isolate the two heat exchangers. The radiation capture surface includes a tubing, describing a fluid flow path.
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. The device proposed by the Applicant is therefore a set of elements allowing the extraction of a fraction of the heat produced inside a biomass boiler. A biomass boiler having at least one fireplace, and an enclosure surrounding the fireplace is required to accommodate the characteristic evaporator. This evaporator forms a heat exchanger which extracts the heat transmitted via a substantially radiant transfer mode in the enclosure surrounding the focus of the biomass boiler. Indeed, in this zone, the combustion of the biomass requires having a high temperature, generally between 500 ° C and 900 ° C. At these temperatures, the gases, the dust and the hot walls inside the enclosure surrounding the hearth radiate thermal energy that is captured by the evaporator. Convection is another mode of transfer that participates in heat transfer to the evaporator, although it occupies a less important place. The particular geometry of the evaporator, arranged all around the furnace of the boiler makes it possible to avoid losses of radiation towards the outside of the enclosure surrounding the furnace, while optimally capturing the radiation produced in the center of the furnace. pregnant surrounding the hearth. The thermally insulating layer formed on the outer periphery of the evaporator makes it possible to limit the radiative leakage from the enclosure containing the hearth towards the walls of the enclosure containing the hearth. The evaporator transmits this sensed thermal energy to the fluid flowing through it, which fluid can advantageously pass from the liquid state to the vapor state, and then actuates a motor thermodynamic cycle in an electricity generator. The object of the invention is therefore essentially to optimize the share of electric energy produced in a biomass boiler for the cogeneration of electricity and heat by optimizing the portion of energy, essentially radiative, transmitted to the evaporator inserted in a biomass boiler. The first heat exchanger, the electricity generator and the first fluid circuit thus form a closed fluid circuit, making it possible to transform part of the thermal energy of the furnace hearth into electricity. Advantageously, the first heat exchanger is placed in an area of the boiler where the temperature is high, between 500 ° C and 900 ° C, in order to evaporate a fluid flowing through the heat exchanger to actuate a thermodynamic cycle of an electric generator .
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. On the other hand, the biomass boiler, on which the Applicant's device is installed, advantageously has an architecture for installing a second heat exchanger on a substantially peripheral area to the enclosure surrounding the fireplace. In this zone, where substantially tubular cavities allow the fumes produced by the combustion of biomass to follow a path leading ultimately to the external environment of the biomass boiler, the flue gas temperature is lower, and the transfer mode dominant thermal is convection. The second heat exchanger which is installed in contact with the substantially tubular cavities is part of a closed second fluid circuit which is heated by the flue gases circulating in the substantially tubular cavities. These fumes transmit the thermal energy by convection to the walls of the exchanger, to raise the temperature of a fluid flowing in the second closed fluid circuit and used for home heating.
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. The first circuit and the second circuit form two separate closed fluidic circuits to allow the first fluid circuit to generate electricity and the second fluid circuit to provide home heating. The need for thermal energy being different for these two applications, the two fluid circuits are advantageously separate to optimally convert the thermal energy produced by the biomass boiler. The first heat exchanger is placed in the enclosure in contact with the fireplace to allow the transfer of sufficient thermal energy for the operation of an electricity generator. The second heat exchanger is placed outside and on the periphery of the enclosure to provide the thermal energy necessary for domestic heating. Specifically, the first heat exchanger is in contact with a zone whose temperature is generally between 500 ° C and 900 ° C, the second heat exchanger is in contact with areas where the temperature of the smoke is around 200 ° C. A thermally insulating layer is advantageously interposed between the two heat exchangers in order to maintain this temperature difference between the exchangers.
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. According to a particular embodiment, the nozzle of the evaporator is configured in a helicoid with contiguous turns. This particular geometry of the evaporator makes it possible to encircle the inner periphery of the enclosure surrounding the hearth, and thus to optimize the share of thermal energy transmitted by radiation to the evaporator. Since the turns are contiguous, the total area that the evaporator occupies on the side walls of the enclosure surrounding the hearth is increased, and the radiative leakage from the enclosure surrounding the hearth and between the helical-forming turns are greatly reduced. It is possible, however, that the turns are not completely contiguous, radiative leakage to the outside of the enclosure containing the focus being limited by the presence of a thermally insulating layer on the outer periphery of the evaporator.
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. According to another embodiment, the evaporator is the assembly of at least one substantially cylindrical metal plate corrugated on a substantially cylindrical metal plate, the corrugations of the substantially cylindrical corrugated metal plate defining a circulation path of the fluid on the periphery inside the evaporator.
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. This particular geometry of the evaporator makes it possible to encircle the inner periphery of the enclosure surrounding the hearth, and thus to optimize the share of thermal energy transmitted by radiation to the evaporator. The substantially cylindrical metal plate may for example be a sheet. The non-corrugated sheet forms a heat shield that does not allow the radiation to pass through the depressions formed by the corrugated sheet. Thus the radiative leakage from the enclosure surrounding the hearth is greatly reduced. Ultimately, this particular embodiment has substantially the same advantages as a helicoid with contiguous turns. It may also have a greater freedom in terms of design: it may for example lead to the realization of more advantageous forms for the heat transfer and / or the mechanical strength of the evaporator and / or its manufacturing cost. A method of manufacture by hydroforming can meet these criteria.
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. In particular, the boiler may comprise a structure forming a heat shield advantageously having a skirt shape, in the extension of the evaporator, the skirt being integral with the evaporator and being disposed on one end of the evaporator.
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. This heat shield makes it possible, on the one hand, to participate in maintaining a higher temperature in the enclosure surrounding the hearth, which makes it possible to burn the fuel better. biomass, and allows on the other hand to increase the proportion of thermal energy transmitted to the evaporator.
Selon un mode de réalisation, la chaudière à biomasse comprend également une structure métallique tabulaire formant une virole positionnée au-dessus du foyer. According to one embodiment, the biomass boiler also comprises a tubular metal structure forming a ferrule positioned above the hearth.
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. Different architectures of bio mass boiler are suitable for the installation of the device forming the invention. Biomass boilers that include a ferrule above the fireplace can improve combustion in the enclosure surrounding the home by restricting the flow of fumes from the combustion of biomass. On the other hand, such a ferrule participates in the emission of heat by radiation, because of its high temperature. The radiation of the ferrule is thus transmitted to the evaporator, contributing to an optimization of the proportion of thermal energy of the biomass boiler transmitted to the evaporator to supply the electricity generator.
Selon un mode de réalisation particulier, la couche thermiquement isolante de l'évaporateur peut être une couche réalisée à partir d'un matériau fibreux. According to a particular embodiment, the thermally insulating layer of the evaporator may be a layer made from a fibrous material.
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. The insulation of the surface forming the outer periphery of the evaporator is preferable to prevent the walls of the evaporator from transmitting a portion of the heat stored by these walls to the wall of the enclosure surrounding the fireplace. The thermal energy that would be transmitted to the wall of the enclosure surrounding the hearth would not participate in raising the temperature of the fluid flowing in the evaporator, and would therefore be considered lost. By thermally insulating the surface forming the outer periphery of the evaporator, such heat losses do not occur. The use of fibers, such as rock wool, or a rigid material such as ceramic fiber, advantageously meet the need for thermal insulation formulated above. According to another embodiment, the device comprises a metal element forming a radiating web disposed at least partially facing the inner surface of the evaporator.
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. The use of a radiating veil provides several advantages. On the one hand, at high temperature, for example when the biomass boiler is operating, which corresponds to temperatures typically between 500 ° C. and 900 ° C., the radiating web re-emits heat by radiation, which heat is absorbed at less in part by the evaporator. On the other hand, the radiating veil can by its geometry particular to participate in a stabilization of the temperature in the enclosure surrounding the hearth. The temperature in the enclosure surrounding the fireplace varies as the rate of oxidizer (oxygen) fluctuates in the fireplace. As the rate of oxidizer increases, the temperature decreases, and convection becomes an increasingly important heat transfer mode in the heat exchange in the enclosure surrounding the hearth. The radiating web captures this thermal energy by convection, and restores it by radiation, this radiation being absorbed at least in part by the evaporator.
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. According to a particular embodiment, the radiating web comprises a set of substantially rectangular metal plates disposed in a circle and perpendicular to the perimeter of said circle.
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. According to a particular embodiment, the pads of the radiating web are all connected by two metal rings, these rings being in contact with two diametrically opposite ends of each of said plates, said plates comprising two diametrically opposed strips partially cut on two opposite sides of said plate and folded in opposite directions.
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. These particular geometries of the radiating web are designed so as to optimize the absorption of thermal energy by convection of the fumes in the enclosure surrounding the hearth and in the vicinity of the radiating web.
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. According to another embodiment, the first closed fluidic circuit is provided with means adapted to actuate a mechanism for bypassing the electricity generator.
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. This bypass mechanism ensures the maintenance of the flow in the first fluid circuit in the event of failure of the electricity generator and / or in the starting and / or stopping phases of said electricity generator. Moreover, this bypass mechanism can advantageously be controlled remotely and automatically in case of failure or problem on the apparatus serving as an electricity generator according to a motor thermodynamic cycle.
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. According to another embodiment, the first closed fluidic circuit comprises a condenser connected to the electricity generator, able to exchange the residual heat output of the electricity generator with the domestic heating circuit. This heat energy can also be returned to the domestic heating circuit, whether in a hot water tank or at any other point in the domestic heating circuit. According to another embodiment, the first closed fluidic circuit comprises a condenser connected to the electricity generator, able to exchange the residual heat output of the electricity generator with a third closed fluid circuit.
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. The use of a condenser makes it possible to recover the residual heat energy at the output of the apparatus serving as an electricity generator according to a motor thermodynamic cycle. This thermal energy is thus transferred to a third closed fluid circuit, said thermal energy can then be reused elsewhere according to the needs of the user. According to another embodiment, the third closed fluidic circuit comprises a recuperative heat exchanger in contact with the domestic heating circuit.
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. In this particular embodiment, the residual thermal energy recovered in the third closed fluid circuit is returned to the second domestic heating fluid circuit to further heat the fluid flowing in this circuit.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES SUMMARY DESCRIPTION OF THE 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 : The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and made with reference to the appended drawings, in which the same references denote identical or similar elements and in which:
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  Figure 1 is a schematic sectional view of a biomass boiler provided with a micro-cogeneration device of electricity and heat showing three fluid circulation circuits, according to a first embodiment; and
la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un évaporateur muni d'une jupe formant écran thermique ; et  Figure 2 is a schematic perspective view of an evaporator provided with a heat shield skirt; and
la figure 3 est une vue en perspective d'un voile rayonnant ; et  Figure 3 is a perspective view of a radiating web; and
- 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 - Figure 4 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to the first embodiment of the invention; and FIG. 5 is a diagrammatic representation of a possible arrangement of the fluidic circuits of a biomass boiler equipped with the microcheater of electricity and heat of the invention according to a second embodiment of the invention; and
- 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 FIG. 6 is a diagrammatic representation of a possible arrangement of the fluidic circuits of a biomass boiler equipped with the microcheater of electricity and heat of the invention according to a third embodiment of the invention; and
la figure 7 est une vue en perspective schématique d'un évaporateur selon un quatrième mode de réalisation, et  FIG. 7 is a schematic perspective view of an evaporator according to a fourth embodiment, and
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.  Figure 8 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to a fifth embodiment of the invention; and Figure 9 is a schematic sectional view of a biomass boiler equipped with the micro-CHP of the invention according to a sixth embodiment of the invention.
Certains éléments de ces figures ont été agrandis pour faciliter leur compréhension et ne sont par conséquent pas à l'échelle. Some elements of these figures have been enlarged to facilitate their comprehension and are therefore not scaled.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE 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. It will now be described a device for the micro-cogeneration of electricity and heat that can be installed on a domestic biomass boiler.
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. The device, as illustrated in Figure 1, comprises a domestic biomass boiler of the type found on the market. The boiler architecture shown in FIG. 1 is that of a forced draft rising heat type boiler, but the proposed device can also be used for other boiler architectures provided that it possesses the elements that are presented. hereinafter.
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. The boiler of FIG. 1, shown diagrammatically in section, has a duct 1 for conveying the biomass fuel (pellet, wood, organic material) as well as providing an air inlet 2, forming a source of oxidant (oxygen) , and therefore oxygen to the furnace 3 of the boiler in which fuel and oxidant (oxygen) can generate the exothermic reactions. A shell 4 placed above the firebox 3, confines the combustion of the biomass and makes it possible to constrain along a substantially vertical axis the flow of smoke and gases escaping from the hearth 3 when the boiler is operating. In operation, the fumes from the boiler escape the hearth 3 to stay inside an enclosure 5 in which the exothermic reactions continue. This enclosure 5 is closed on its upper part by a cover 23 making the enclosure 5 thermally insulated. The residence time of the fumes in the chamber 5 is long enough to allow complete combustion of the biomass. In addition, the absence of convection on cold surfaces makes it possible to avoid a large local cooling of the gases that can affect the efficiency of the combustion. By maintaining a high temperature, typically between 500 ° C. and 900 ° C., the exothermic reactions can continue until the end, that is to say that a large part of the chemical energy of the biomass can be extracted, thus increasing the efficiency of the boiler. The enclosure 5 has in its lower part, near the hearth 3, openings forming a passage 10 allowing the smoke to escape.
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. Smoke is understood to mean both the combustible gases produced by the pyrolysis of the biomass and the oxidation of the residual carbon that the flue gases contained in the boiler.
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. Under the enclosure 5, the fumes produced by the combustion of the biomass pass through a second chamber before going up through substantially tubular cavities 11 that can advantageously be cylindrical or constitute a tubular ring, distributed over at least a portion of the circumference of the boiler. These cavities 11 are not in direct contact with the outer walls of the enclosure 5. Indeed, the cavities 11 may and preferably are themselves surrounded by an empty cavity in which a fluid can flow. This set of cavities may serve to define an exchanger 12. The smoke rises along these cavities 11 to reach a third chamber 13 in the upper part of the boiler, which may advantageously comprise means for sweeping 24 tar and dust depositing inevitably in this part of the boiler, as well as on the walls of the cavities 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. Ventilation means 14 are placed on the outlet of the flue gas path resulting from the combustion of the biomass, in order to impose a flow direction on said flue gases. It is apparent from the description that has just been made of the path of the smoke produced by the biomass boiler that this smoke follows a sinuous path from the hearth 3 to the third enclosure 13. This type of path makes it possible to separate areas where the temperature of the smoke is high (around 700 ° C near the hearth 3), areas where the temperature of the smoke is more moderate (around 200 ° C in cavities 11). On the other hand, by lengthening the path that follows the smoke, the temperature gradient of said smoke in the boiler is lower and avoids sudden temperature changes, while decreasing the temperature of the smoke output of Boiler. All the elements described so far are specific to a particular type of boiler, present in the trade, and compatible with the device that constitutes the invention described below. It is also possible to adapt the device of the invention to other boiler architectures, provided that they contain most of the elements that have just been presented. In particular, and by way of example, it is possible to install the invention on biomass boilers with reverse combustion forced draft or not.
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. As represented in FIG. 1, and according to one embodiment of the invention, the enclosure 5 of a biomass boiler as described above, is equipped with a first heat exchanger 6 also called an evaporator, forming part of integral part of a closed fluidic circuit 100. The evaporator 6 comprises a pipe made of a material having good properties of mechanical and thermal conduction, wound so as to form a helicoid with contiguous turns, describing a circulation path on a surface intended to to be arranged facing the focus 3 and / or the shell 4, and at least partially in contact with the walls of the enclosure 5. A detailed diagram of an evaporator 6 according to this embodiment of the invention is shown in Figure 2. It may be in an alternative embodiment that the turns of the evaporator 6 described above are not contiguous. It is also conceivable to make an evaporator 6 having a different geometry, so for example to adapt to the size and shape of the enclosure 5 of the biomass boiler. In the interest of a better collection of thermal energy it is advantageous to manufacture an evaporator 6 having a surface and a form factor maximizing the heat exchange while modifying only marginally the flow of smoke and heat. In particular, it is possible to adapt the total area occupied by the evaporator in the chamber 5 to extract a more or less significant fraction of the radiant heat energy. The larger the surface occupied by the evaporator 6 in the enclosure 5, the greater the portion of thermal energy converted into electricity in the biomass boiler for micro-cogeneration. The evaporator pipe 6 is designed to circulate a fluid within said pipe, and withstand the high pressures of a gas able to flow in the pipe. Because of its small size, the evaporator 6 does not require specific approval and does not present any particular risk arising from the possible presence of high pressure gas in the pipe constituting the evaporator 6. Connections are provided for connect the ends of the pipe of the evaporator 6 to the closed fluid circuit 100. On the other hand, the boiler may also comprise a skirt 7, integral with the evaporator 6 and arranged in the extension of the helical structure with contiguous turns formed by the pipe. This skirt 7 serves radiative screen so as to avoid a loss of heat inside the chamber 5 by radiation under the evaporator 6. Indeed in this area, the radiation of the shell 4 can escape of the enclosure 5 without transferring heat to the fluid of the evaporator 6. The skirt 7 radiating screen makes it possible to return this thermal energy to the enclosure 5, which contributes to not unnecessarily lowering the temperature of the enclosure 5 and thus to favor a better combustion of the mass mass and to guarantee a higher temperature in the enclosure 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.  According to another embodiment of the evaporator 6, shown in Figure 7 the evaporator 6 may be the arrangement of at least two metal plates or at least two sheets. These sheets can be welded to each other so as to describe a circuit, and the injection of a pressurized fluid into the non-welded space between the two sheets allows by hydroforming to create ripples in space between the two sheets thus defining a tubular flow path for a fluid, over the entire surface formed by the sheet defining the outer wall of the evaporator 6. According to this embodiment, the evaporator 6 does not show, as in the case of the helicoid with contiguous turns, no through opening can let out thermal energy by radiation between two corrugations of the tubing defining the flow path of the fluid. On the other hand, the sheet defining the outer wall of the evaporator may have thermal insulation properties.
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. As indicated in FIGS. 1, 4, 8 and 9, the evaporator 6, 60, 600 comprises a layer of thermal insulation 8, 80, 800 disposed on the outer periphery of the evaporator 6, 60, 600, interposed between the walls of the enclosure 5, 50, 500 and the evaporator 6, 60, 600. This thermal insulation 8, 80, 800 also allows to avoid heat losses by radiation to the outside of the enclosure 5, 50, 500 from the evaporator 6, 60, 600. Thus, the heat energy transmitted by radiation is used more effectively in the enclosure 5, 50, 500. This thermally insulating layer 8, 80, 800 , in particular makes it possible to obtain less than 20% loss of thermal energy captured by the evaporator 6, 60, 600. It can be fibrous, and comprise rock wool or ceramic fiber for example. It can also be rigid, comprising a ceramic material. It can also be envisaged to make it by projection of alumina on the outer periphery of the evaporator 6, 60, 600. According to one particular example, a 15 mm thick ceramic fiber layer is used. It has a thermal conductivity of the order of 0.1 Watt / m / ° C. The skirt 7 and the insulating layer 8 are elements that are useful for optimizing the heat transfer modes in the chamber 5 towards the evaporator 6. By making it possible to maintain the temperature in the enclosure 5 without loss of heat to the outside of the enclosure 5, these elements allow an increase in the temperature of a value close to 100 ° C, to reach up to 900 ° C in a domestic biomass boiler. Such a temperature makes it possible, on the one hand, to increase the emission of radiation, and therefore to give greater advantage to this mode of heat transfer in the enclosure 5 towards the evaporator 6. Thus, the particles with a high temperature of the smoke produced by the combustion of the biomass in the enclosure 5, the walls of the shell 4, the walls of the evaporator 6 and so-called participative gases (such as carbon monoxide and water vapor), radiate from the energy which is at least partially transmitted in fine to the fluid flowing in the evaporator 6. The radiation is the dominant heat transfer mode in the chamber 5 and it has the additional advantage of extracting thermal energy the entire volume of smoke, gases and particles present in the chamber 5, and not only the energy of the gases and particles in direct contact with the walls of the evaporator 6. The other two modes of heat transfer, namely conduction and convection are themselves if implemented to heat the fluid of the evaporator 6. The circulation, although reduced and strongly constrained, of the smoke inside the chamber 5, ensures homogenization of the temperature in the enclosure 5 and therefore contribute to convective heat transfer. The main thermal transfer mode implemented in the evaporator 6 between the metal pipe forming a helicoid with contiguous turns and the fluid flowing in said pipe is the conduction in the material forming said pipe. An elevated temperature in the enclosure 5, favoring radiation heat transfer, provides another considerable technical advantage which is that of significantly reducing the fouling of the walls of the enclosure 5 and the evaporator 6. lower temperatures favor the deposition of tar, dust and other substances which increase, by depositing, the thermal resistance of the various elements present in the enclosure 5, decreasing the energy efficiency of the biomass boiler. Thanks to the improvements provided by the present invention, it is not necessary to provide a regular sweeping of the enclosure 5. In addition to a higher temperature and more homogeneous than in boilers not equipped with the device of the invention, the reduced size surfaces constituting the enclosure 5 and their simple shape which does not present particular roughness, also contributes to reduce fouling in the latter. The enclosure 5 is advantageously a cavity, of which the only thermal outlet for the radiative energy, with the exception of the flue gas outlet, is the evaporator 6 and in which all the walls are thermally insulated. It is also advantageous to have a reduced contact surface between the fumes at high temperature and the walls and elements at low temperature present in the enclosure 5 so as not to undergo heat loss by convection (and a fortiori by conduction in the walls) without this heat being transmitted to the evaporator 6 and therefore without it being recovered later. The mode of convective heat transfer is however also implemented and makes it possible to transfer heat in contact with the evaporator 6, thanks to the circulation of smoke, gases and particles in the enclosure 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. It is possible to optimize the radiation heat transfer by placing a second device forming a radiating web around the shell 4 located above the firebox 3. This radiating web 9 as represented in FIG. 3 , is in the form of a set of plates 92 arranged on the perimeter of a circle, each plate 92 being disposed perpendicularly to said circle, and said plates 92 are all held at their upper and lower ends by two metal annular structures 91 connecting the plates 92 by diametrically opposite ends. As shown in FIG. 3, the plates 92 advantageously have strips 93 partially cut in said plates 92 near two opposite ends of said plates 92, and folded in opposite directions so as to generate convection movements of the smoke in the lower part of the enclosure 5. This particular radiating sail geometry 9 creates a flow of smoke favoring the convective transfer of heat to the radiating veil 9. The absorption of this heat by the radiating veil 9 raises the temperature of the latter which re-emits thermal energy by radiation in part towards the evaporator. Other geometries are conceivable to constitute a radiating veil 9, and their manufacture is now well documented in the prior art. The radiating veil 9 also fulfills other interesting functions. Its temperature being higher than that of the evaporator 6, the gases of the smoke in contact with the radiating web 9 remain at temperatures sufficient for the combustion to continue in the enclosure 5, which among other things has the effect of reducing moreover the fouling in this part of the enclosure 5. The shape of the radiating web can be optimized so as to promote a good mixture between fuel and oxidant (oxygen), so as to further improve the efficiency of the boiler . Moreover, the radiating veil plays a stabilizing role on the temperature inside In fact, the variations in concentration in the fuel / oxidant mixture cause temperature changes in the boiler, insofar as a higher concentration of oxygen (oxidizer) decreases the combustion temperature and gives rise to a decrease in radiative transfer. As the oxygen concentration increases, the convection in the enclosure 5 also increases due to the larger volume of smoke. Thanks to the radiating veil 9, this increase in convection contributes to raising the temperature of the radiating web which retransmits this heat by radiation to the evaporator 6. The heat, resulting from the combustion of the biomass, and collected in the enclosure 5 by the fluid flowing in the evaporator 6, makes it possible to change the liquid / gas phase of the fluid flowing in the evaporator 6. It is also possible to simply raise the temperature of the circulating liquid in the evaporator 6 without necessarily induce phase change, although this is not a preferred mode of operation of the device. The pressurized gas generated by this heat transfer in the evaporator 6 then travels along the closed fluidic circuit 100 firstly up the evaporator 6 to an electricity generator advantageously operating according to a motor thermodynamic cycle of the type Rankine 16. The pressurized gas is used to start a Rankine cycle in this electricity generator 16, which generates electricity by operating an alternator. This electricity is then transferred to an electrical network 17, or stored in a battery or other device for storing the electrical energy provided for this purpose. The lower temperature and pressure gas at the output of the electricity generator 16 is then sent to a condenser 18 acting as a heat exchanger. As shown in FIG. 1, the valve 15 makes it possible to configure the closed fluidic circuit 100 in two positions, namely: a first position of the valve 15 connects the evaporator 6 to the electricity generator 16, and a second position of the valve 15 connects the evaporator 6 directly to the condenser 18 without passing through the electricity generator 16. This switching from one position to the other can be operated automatically in the event of failure of the electricity generator 16 or during the phases of operation. stop and start. Moreover, other means of bypassing the motor valve 15 are possible. In particular, a so-called "by-pass" device can be envisaged. As indicated in FIG. 1, the closed fluidic circuit 100 comprises a lifting pump 19 connecting the condenser 18 to the evaporator, ensuring a continuous circulation of the fluid in the closed fluidic circuit 100, and making it possible to maintain an adequate pressure of the fluid in upstream of the electricity generator 16. By following the path taken by the smoke in the boiler, and as shown in FIGS. 1 and 4, the gases, particles and other emissions due to the combustion of the biomass flow from the enclosure 5 through the openings forming a passage 10 to a second chamber located under the enclosure 5 and then to the cavities 11 located around the enclosure 5 and on at least a portion of the circumference of the biomass boiler. As shown in Figure 1, a second fluid circuit 200 adjacent the walls formed by the cavities 11. This fluid circuit 200 corresponds for example to the water heating of a building. It may, for example, include domestic heating means, such as radiators 22. The sections of this second fluid circuit 200 in contact with the walls of the cavities 11 form a second heat exchanger 12. The temperature of the flue gases in the ducts 11 being of the order of 200 ° C, the main mode of heat transfer in this second exchanger 12 is not the radiation but the convection of the smoke in the ducts 11, followed by a conduction of heat in the walls of the second exchanger 12. Due to the lower temperatures of the order of 200 ° C prevailing in the ducts 11, the walls of these ducts are obviously more prone to fouling than the enclosure 5. For this reason, it is advantageous to provide means for sweeping 24 ducts 11, which may for example be arranged in the chamber 13 located on the upper part of the biomass boiler.
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. Such an arrangement for the second fluidic circuit 200 has been experimentally validated as making it possible to optimize the proportion of electrical energy produced from the heat extracted from the combustion of the biomass. Indeed, it is recommended to extract most of the heat generated by the combustion of the biomass by a transfer mode radiating in the chamber 5, which implies inter alia having a low surface area to volume ratio, and to draw the remaining thermal energy by an essentially convective mode of heat transfer in a zone of lower temperature, which implies having a high surface area to volume ratio. The conversion of thermal energy into electrical energy is thus optimized, and the temperature difference between the fumes at about 200 ° C. in the ducts 11 on the one hand and the fluid flowing in the second fluid circuit 200 on the other hand, is enough to efficiently heat a building. Furthermore, the contact surface between the smoke flowing in the ducts 11 and the walls of said duct 11 is greater than in the enclosure 5, which is relevant to promote heat exchange based on 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. As indicated in FIG. 1, the invention may also comprise a third closed fluid circuit 300, which makes it possible to reuse the residual heat energy in output of the electricity generator 16 in the condenser 18 to reinject it into the second fluid circuit 200 via a recuperator exchanger 21. Thus, the condenser 18 serves as an interface between the first closed fluid circuit 100 and the third closed fluid circuit 300, while the recuperator exchanger 21 serves as an interface between the third closed fluid circuit 300 and the second fluid circuit 200. The third closed fluidic circuit 300 can be traversed by a fluid having a high heat capacity, for example water. Moreover, to facilitate the circulation of this fluid in this third closed fluidic circuit 300, the latter can advantageously comprise a pump 20. This recovery of the residual heat energy at the output of the electricity generator 16 makes it possible to obtain cogeneration substantially equal to the efficiencies obtained in heating systems without cogeneration devices.
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. The preferred embodiment of the invention which has just been described may include variants without however departing from the general idea of the invention. For example, the architecture of the domestic boiler on which the device is installed can be substantially different in its shape, its dimensions and its mode of 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. FIG. 8 shows, by way of nonlimiting example, a variant of a biomass boiler for the micro-cogeneration of electricity and heat in which the arrangement of the various elements presented above differs substantially from a biomass boiler. with forced draft heat. Thus, in this Figure 8, the fumes follow a sinuous path from the fireplace 30 to the ventilation means 140 to the outside. In this configuration, the exchanger 120 associated with the domestic heating circuit 200, is distributed both on the outer periphery of the enclosure 50, and at a distance from this enclosure, in the vicinity of the outlet mouth of the fumes. According to the embodiment shown in FIG. 8, the biomass boiler for the micro-CHP does not contain a ferrule around the hearth 30, but an enclosure made of refractory materials 40. This enclosure 40 fulfills the same functions as a ferrule, namely ensure guiding fumes and promote a rise in the combustion temperature. The enclosure 50 comprises on its side walls an evaporator 60, a skirt 70, a thermally insulating layer 80 and its upper part is covered by a wall 230 partially forming a lid. The mouth of the chamber 40 containing the hearth 30 may be equipped with a radiating web 90. The smoke escapes from the enclosure 50 through an opening disposed on the upper part of one of the side walls of the enclosure 50, as shown in FIG. 8. Figure 9 shows another variant given by way of non-limiting example of a biomass boiler for the micro-cogeneration of electricity and heat equipped with the device of the present invention. The biomass boiler shown in Figure 9 is a forced draft reverse combustion boiler. According to this embodiment, a ventilation means 1401 conveys oxidant into a hearth 330 and forces the gases and fumes produced by combustion to circulate to an enclosure 500 located below said hearth 330. The enclosure 500 comprises an evaporator 600 on its side walls and an insulating layer 800, a skirt 700, but the fumes escape from the enclosure 500 through substantially tubular zones 1100 located above the hearth 330 and not on the immediate outer periphery of enclosure 500. The substantially tubular zones have walls in contact with the second heat exchanger 1200 associated with the domestic heating circuit 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. The arrangement of the various fluidic circuits may also vary according to the embodiments of the invention. For example, as shown in FIG. 5, the heating circuit of a building 200 can be directly connected to the condenser 18 of the first closed fluid circuit 100. In this way, it is not necessary to use a third fluid circuit. closed 300. In Figure 6, a variant proposes to connect the third closed fluid circuit 300, when present, directly to the domestic heating means 22, which may be radiators, water tanks or other.
En définitive, l'invention décrite ci-avant permet de procurer les avantages suivants : Ultimately, the invention described above provides the following advantages:
Proposer un dispositif s 'intégrant sur une chaudière à biomasse domestique du type de celles que l'on trouve dans le commerce.  To propose a device integrating on a domestic biomass boiler of the type of those which one finds in the trade.
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.  Offer overall returns that are substantially identical to systems offering only domestic heating means by optimizing the convective heat transfer for heating and recovering the residual heat energy at the output of an electricity generator.
- Optimiser les transferts thermiques par rayonnement dans les zones où la combustion de la biomasse a lieu.  - Optimize radiant heat transfer in areas where biomass combustion takes place.
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.  To allow a reduction in the size of domestic biomass boilers through this optimization, ensuring a low surface-to-volume ratio in areas where combustion takes place and a high surface-to-volume ratio in areas where convection exchange with Fluidic circuit heating of a building takes place.
- 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.  - Do not require approval and specific safety measures due to the presence of an evaporator, because of its reduced dimensions.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 :  An electricity and domestic heating cogeneration device capable of extracting thermal energy from a biomass boiler, said biomass boiler comprising:
• un foyer (3),  • a home (3),
• une enceinte (5) en contact avec le foyer (3),  An enclosure (5) in contact with the hearth (3),
• des cavités sensiblement tubulaires (11) agencées à proximité de la périphérie extérieure de l'enceinte (5),  Substantially tubular cavities (11) arranged near the outer periphery of the enclosure (5),
et ledit dispositif comportant :  and said device comprising:
un premier échangeur thermique formant un évaporateur (6) apte à être inséré dans ladite enceinte (5) de ladite chaudière à biomasse, a first heat exchanger forming an evaporator (6) insertable into said enclosure (5) of said biomass boiler,
un générateur d'électricité (16), apte à produire de l'électricité à partir d'un cycle thermodynamique moteur, ledit générateur d'électricité (16) étant relié audit évaporateur (6), an electricity generator (16) adapted to generate electricity from a thermodynamic cycle engine, said power generator (16) being connected to said evaporator (6),
un premier circuit fluidique fermé (100) acheminant un fluide sortant dudit évaporateur (6) vers l'entrée dudit générateur d'électricité (16) et ledit fluide sortant dudit générateur d'électricité (16) vers l'entrée dudit évaporateur (6); a first closed fluid circuit (100) conveying a fluid exiting said evaporator (6) to the input of said power generator (16) and said fluid exiting from said power generator (16) to the inlet of said evaporator (6 );
un second échangeur thermique (12), en contact avec lesdites cavités sensiblement tubulaires (11), situées sur la périphérie extérieure de l'enceinte (5) de ladite chaudière à biomasse, a second heat exchanger (12) in contact with said substantially tubular cavities (11) located on the outer periphery of the enclosure (5) of said biomass boiler,
un second circuit fluidique fermé (200), formant un circuit de chauffage domestique ledit second échangeur thermique (12) étant connecté audit circuit de chauffage domestique (200) ; a second closed fluid circuit (200), forming a domestic heating circuit said second heat exchanger (12) connected to said domestic heating circuit (200);
ledit évaporateur (6) possédant, en regard du foyer (3), une surface de captation du rayonnement thermique, et comprenant une couche thermiquement isolante (8), disposée sur la périphérie extérieure de l'évaporateur, interposée entre les parois de l'enceinte et l'évaporateur, ledit évaporateur (6) formant un écran thermique entre le rayonnement issu du foyer (3) et les parois de l'enceinte (5), ladite surface incluant une tubulure, décrivant un chemin de circulation dudit fluide.  said evaporator (6) having, facing the hearth (3), a heat radiation capture surface, and comprising a thermally insulating layer (8), disposed on the outer periphery of the evaporator, interposed between the walls of the enclosure and the evaporator, said evaporator (6) forming a heat shield between the radiation from the hearth (3) and the walls of the enclosure (5), said surface including a tubing, describing a flow path of said fluid.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tubulure de l'évaporateur (6) est configurée selon un hélicoïde à spires jointives. 2. Device according to claim 1, characterized in that the tubing of the evaporator (6) is configured in a helicoid contiguous turns.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur (6) est l'assemblage d'au moins une plaque métallique sensiblement cylindrique ondulée sur une plaque métallique sensiblement cylindrique, les ondulations de ladite plaque métallique définissant un chemin de circulation du fluide sur la périphérie intérieure de l'évaporateur (6). 3. Device according to claim 1, characterized in that the evaporator (6) is the assembly of at least one substantially cylindrical corrugated metal plate on a substantially cylindrical metal plate, the corrugations of said metal plate defining a fluid flow path on the inner periphery of the evaporator (6).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chaudière comprend une structure formant un écran thermique possédant une forme de jupe (7), dans le prolongement de l'évaporateur (6) et disposée sur l'une des extrémités dudit évaporateur (6). Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the boiler comprises a structure forming a heat shield having a skirt shape (7), in the extension of the evaporator (6) and arranged on one side. ends of said evaporator (6).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chaudière à biomasse comprend également une structure métallique tubulaire formant une virole (4) positionnée au-dessus du foyer (3). Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the biomass boiler also comprises a tubular metal structure forming a ferrule (4) positioned above the hearth (3).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche thermiquement isolante de l'évaporateur (6) est une couche réalisée à partir d'un matériau fibreux. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the thermally insulating layer of the evaporator (6) is a layer made from a fibrous material.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un élément métallique formant un voile rayonnant (9) disposé au moins partiellement en regard de la surface formant le pourtour intérieur de l'évaporateur (6). Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a metallic element forming a radiating web (9) arranged at least partially facing the surface forming the inner periphery of the evaporator (6).
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le voile rayonnant (9) comporte un ensemble de plaquettes métalliques sensiblement rectangulaires (92) disposées en cercle et perpendiculairement au périmètre dudit cercle. Device according to claim 7, characterized in that the radiating web (9) comprises a set of substantially rectangular metal plates (92) arranged in a circle and perpendicular to the perimeter of said circle.
Dispositif selon la revendications 8, caractérisé en ce que les plaquettes (92) du voile rayonnant (9) sont toutes reliées par deux anneaux métalliques (91), lesdits deux anneaux (91) étant en contact avec deux extrémités diamétralement opposées de chacune desdites plaquettes (92), lesdites plaquettes (92) comprenant deux bandes (93) diamétralement opposées partiellement découpées sur deux côtés opposés de ladite plaquette (92) et pliées suivant des sens opposés. Device according to claim 8, characterized in that the plates (92) of the radiating web (9) are all connected by two metal rings (91), said two rings (91) being in contact with two diametrically opposite ends of each of said plates (92), said wafers (92) comprising two diametrically opposed strips (93) partially cut on two opposite sides of said wafer (92) and bent in opposite directions.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit fluidique fermé (100) est muni d'un moyen (15) apte à actionner un mécanisme de contournement du générateur d'électricité (16). 10. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first closed fluidic circuit (100) is provided with means (15) adapted to actuate a bypass mechanism of the electricity generator (16).
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit fluidique fermé (100) comprend un condenseur (18) relié au générateur d'électricité (16), apte à échanger la chaleur résiduelle en sortie du générateur d'électricité (16) avec le circuit de chauffage domestique (200). 11. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first closed fluidic circuit (100) comprises a condenser (18) connected to the electricity generator (16), able to exchange the residual heat output of the generator of electricity (16) with the domestic heating circuit (200).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit fluidique fermé (100) comprend un condenseur (18) relié au générateur d'électricité (16), apte à échanger la chaleur résiduelle en sortie du générateur d'électricité (16) avec un troisième circuit fluidique fermé (300). 12. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first closed fluidic circuit (100) comprises a condenser (18) connected to the electricity generator (16), able to exchange the residual heat output of the generator of electricity (16) with a third closed fluidic circuit (300).
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le troisième circuit fluidique fermé (300) comprend un échangeur récupérateur (21) en contact avec le circuit de chauffage domestique (200). 13. Device according to claim 12, characterized in that the third closed fluid circuit (300) comprises a heat exchanger (21) in contact with the domestic heating circuit (200).
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