Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à un appareil de chauffage à double enveloppe pour
la circulation d'air, de préférence sous forme de convection naturelle sèche.
Arrière-plan technologique et état de la technique
[0002] Certains appareils de chauffage actuels, encastrables ou non, en particulier les
inserts ou cassettes, sont alimentés par différents types de combustibles solides,
liquides ou gazeux. Ils comportent une première enveloppe qui contient un corps de
chauffe et différents moyens assurant une combustion efficace en fonction du combustible
pour lequel l'appareil a été conçu, ainsi que l'évacuation des fumées.
[0003] Il est également connu d'ajouter une deuxième enveloppe autour de la première enveloppe,
afin de récupérer la chaleur et de l'acheminer vers la pièce à chauffer, ou pièce
d'ambiance, par une convection d'air naturelle ou forcée à l'aide d'un ou plusieurs
ventilateurs. On a dès lors affaire à des échangeurs de chaleur air-air.
[0004] Dans le cas où l'appareil de chauffage est encastré dans un mur ou une cheminée,
il comporte en plus un cadre, fixé sur la partie avant de la double enveloppe, afin
de faciliter et de cacher le raccordement avec la structure portante, c'est-à-dire
le mur ou la cheminée.
[0005] Dans l'appareil de chauffage, l'air froid, provenant de la pièce ou capté à l'extérieur
de celle-ci, circule entre les deux enveloppes, se réchauffe au contact du corps de
chauffe et diffuse la chaleur dans la pièce à chauffer en sortant par un espace périphérique
libre prévu entre les deux enveloppes.
[0006] Cependant, l'incorporation dans les appareils de chauffage d'un espace libre entre
les deux enveloppes peut provoquer des perturbations entre le flux d'air ambiant aspiré
depuis la pièce ou depuis l'extérieur de la pièce et le flux d'air chaud acheminé
vers la pièce à chauffer.
[0007] Le confort thermique dans une pièce d'habitation est lié aux deux modes de propagation
de la chaleur qui sont le rayonnement et la convection. Dans les appareils existants,
les flux d'air convectifs ne sont donc pas toujours dérivés de la manière la plus
efficace pour assurer une sensation de bien-être pour l'utilisateur qui se trouve
dans la pièce à chauffer.
[0008] Le document US-A-4 601 280 propose un appareil de chauffage à double paroi pour la
convection forcée, où l'on peut ajuster l'entrée d'air froid, venant soit de l'ambiance,
soit de l'extérieur à l'habitation.
[0009] Le document US-A-5 626 127 propose une installation similaire avec des orifices d'entrée
de l'air, en communication avec la chambre de combustion et se trouvant derrière la
face avant de l'appareil.
[0010] Dans le document US-A-4 271 815, le foyer est complètement isolé de l'air ambiant,
qui n'est pas utilisé pour la combustion. L'air ambiant est réchauffé dans une chambre
à double enveloppe. Celle-ci est mise en communication avec l'ambiance par une paroi
d'entrée à claire-voie et une grille de sortie.
[0011] Enfin, dans le document FR-A-2 601 116, on décrit une installation du même type que
précédemment où la chaleur sortant de la chambre de combustion est acheminée vers
le dispositif d'évacuation de fumées par une série de canaux horizontaux essentiellement
parallèles. La finalité de ces canaux, éventuellement munis d'ailettes, est d'augmenter
la surface d'échange thermique dans le foyer.
[0012] Tous ces dispositifs sont notamment destinés à augmenter le débit calorifique, et
donc le rendement de ces installations. Ils n'ont pas pour but d'optimiser des flux
de convection d'air.
[0013] La plupart des pièces d'habitation comportant des appareils de chauffage de ce type
présentent cependant une stratification thermique importante. On entend par là qu'il
existe généralement un gradient de température entre le sol et le plafond. Ainsi,
on mesure couramment chez l'habitant des températures de l'ordre de 30°C au niveau
du plafond et de l'ordre de 10°C au niveau du sol. Il en résulte un inconfort thermique
que la plupart des usagers corrigent en augmentant la température moyenne ambiante.
[0014] On estime qu'une augmentation de température de 1° à l'ambiance correspond à une
consommation supplémentaire d'énergie de 6%, sous forme de bois ou de fuel de chauffage
par exemple. Si on pouvait faire disparaître la stratification thermique dans le logement,
on pourrait réaliser des économies d'énergie saisonnières allant jusqu'à 50%.
Buts de l'invention
[0015] La présente invention vise à fournir un nouvel appareil de chauffage présentant une
chambre de convection naturelle sèche sous forme d'une double enveloppe, ne présentant
pas les inconvénients de l'état de la technique.
[0016] En particulier, l'invention vise à fournir un appareil de chauffage permettant d'améliorer
ou d'optimiser le confort thermique de l'utilisateur ainsi que le rendement thermique
saisonnier de l'appareillage.
[0017] Un but complémentaire de l'invention est de proposer une solution de chauffage naturelle,
sèche, simple, économique et présentant les avantages du chauffage par le sol sans
en présenter les inconvénients techniques.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0018] La présente invention concerne un appareil de chauffage destiné à être encastré ou
non dans une structure portante telle qu'un mur ou une cheminée d'une pièce à chauffer,
et qui comporte une première enveloppe incorporant un corps de chauffe réalisé en
des matériaux adéquats bien connus de l'homme de l'art, tels que l'acier, la fonte,
la brique réfractaire ou tout autre matériau et incorporant différents moyens de combustion
adaptés au combustible solide, liquide ou gazeux utilisé, et une deuxième enveloppe
entourant totalement ou partiellement la première enveloppe destinée à récupérer la
chaleur et à l'acheminer vers la pièce à chauffer par convection naturelle ou forcée
à l'aide d'un ou de plusieurs moyens adéquats (tels que des ventilateurs, déflecteurs
ou chicanes).
[0019] L'appareil de chauffage comporte en outre, reliant, tout en obstruant l'espace libre
entre les deux enveloppes, la face avant de la première enveloppe et la face avant
de la deuxième enveloppe, une plaque pourvue de manière avantageuse d'une pluralité
de perforations calibrées permettant de canaliser et de favoriser la circulation d'air,
ladite plaque formant ainsi une partie de la face avant de l'appareil de chauffage.
[0020] Selon l'invention, les perforations calibrées d'entrée d'air et de sortie d'air,
dont la forme a été déterminée expérimentalement, permettent d'améliorer par rapport
à l'état de la technique, ou d'optimiser simultanément la température et la vitesse
ou l'énergie cinétique horizontale dudit flux d'air sortant. Ces perforations calibrées
peuvent très avantageusement être de simples perforations calibrées à plat dans la
tôle frontale, qui est solidaire de la première enveloppe et de la seconde enveloppe
de l'appareil de chauffage.
[0021] On entend par "appareil de chauffage", tout dispositif de chauffage susceptible d'être
présent dans une pièce à chauffer, en particulier des appareils encastrables tels
que des inserts et cassettes ou des poêles comportant un raccord direct ou via une
cheminée vers l'extérieur de la pièce. Ces appareils de chauffage peuvent être réalisés
en tout type de matériau (métal, acier, fonte, etc.).
[0022] Dans le cas où l'appareil de chauffage est encastrable, la plaque comporte avantageusement
un débordement extérieur de la face avant de la deuxième enveloppe, ledit débordement
pouvant servir de raccord de l'appareil encastrable sur une structure portante tel
qu'un mur ou une cheminée ou pouvant cacher ledit raccord.
[0023] Le raccord entre l'appareil de chauffage encastrable et sa structure portante est
réalisé par des moyens adéquats connus de l'homme de l'art.
[0024] Les perforations ou orifices présents sur la plaque métallique peuvent avoir des
formes diverses (rondes, carrées, rectangulaires, triangulaires, hexagonales, en forme
de losange, d'étoile ou autres, ou encore un mélange d'entre elles) adaptées au goût
esthétique du consommateur.
[0025] La plaque comportant les perforations peut être réalisée en tout matériau (métal,
céramique, fonte, etc.), dont la forme, l'épaisseur et l'aspect extérieur sont adaptés
aux autres matériaux des appareils de chauffage de l'invention. Cette plaque peut
notamment être recouverte d'un émail vitrifié, d'une finition satinée très résistante
à la chaleur, d'une peinture ou d'une finition par dépôt de graphite.
[0026] De manière avantageuse, des moyens tels que des déflecteurs peuvent être prévus et
disposés sur ou sous ladite plaque perforée de manière à améliorer la diffusion de
la chaleur dans des directions privilégiées de la pièce à chauffer, en particulier
dans des directions où elle ne serait pas susceptible de provoquer des perturbations
susceptibles de gêner et d'empêcher la prise d'air froid provenant de ladite pièce
à chauffer.
[0027] Un autre aspect de la présente invention concerne un procédé de calibrage expérimental
d'une pluralité de perforations d'entrée d'air et/ou de sortie d'air, pour optimiser
simultanément la température et la vitesse d'un flux d'air chaud sortant d'un appareil
de chauffage à double enveloppe, et comprenant les étapes suivantes :
- on pratique une pluralité de perforations de forme déterminée en guise d'entrées et
sorties d'air dans la plaque ;
- on ajuste par essais successifs la taille desdites perforations, en gardant constamment
un rapport de la section totale aérolique, SA, des perforations de sortie d'air à la section totale aérolique des perforations
d'entrée d'air, SD, essentiellement proche de la valeur correspondant à la relation SA = SD x TA/Tamb, où TA est la température absolue souhaitée de l'air sortant en fonctionnement et Tamb, la température absolue à l'ambiance.
[0028] Avantageusement, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes pour effectuer
l'ajustement de la taille desdites perforations :
- en air calme, on installe une boîte à fumées à proximité des entrées d'air dudit appareil
de chauffage ;
- on visualise, à des régimes de fonctionnement respectivement maximal, intermédiaire
et minimal dudit appareil de chauffage, la trajectoire de l'air caloporteur sortant,
ladite visualisation étant réalisée de préférence par des moyens photographiques ou
vidéo ;
- on ajuste la taille desdites perforations d'entrée et/ou sortie, en respectant essentiellement
la forme de départ desdites perforations, de manière à maximiser la distance limite,
mesurée à partir dudit appareil de chauffage, à laquelle on obtient un flux d'air
chaud sortant essentiellement horizontal, pour chacun desdits trois régimes de fonctionnement.
[0029] De préférence, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes pour effectuer
l'ajustement de la taille desdites perforations :
- on place au moins un thermocouple, protégé du rayonnement dudit appareil de chauffage
en fonctionnement, dans la zone où le flux d'air caloporteur sortant est essentiellement
horizontal et commence à s'incurver vers le haut, définissant une distance limite
mesurée à partir dudit appareil de chauffage ;
- on ajuste la taille desdites perforations d'entrée et/ou de sortie, en respectant
essentiellement la forme de départ desdites perforations, de manière à maximiser la
température mesurée par ledit thermocouple, à des régimes de fonctionnement respectivement
maximal, intermédiaire et minimal dudit appareil de chauffage, à ladite distance limite.
Brève description des figures
[0030] La figure 1 représente un insert ou cassette selon l'état de la technique ou la présente
invention.
[0031] La figure 2 représente une vue en coupe latérale de la double enveloppe d'un insert
ou cassette selon l'invention.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
[0032] Le principe à la base de l'invention est de maximaliser l'énergie cinétique d'un
flux horizontal d'air chaud de convection émis par un appareil de chauffage individuel
dans le volume récepteur où se trouve l'utilisateur. Ainsi, il est rendu possible
de briser la stratification thermique de la pièce d'habitation par la formation d'une
nappe d'air de haute énergie cinétique, étendue dans le lieu de séjour.
[0033] La figure 1 représente un appareil de chauffage selon l'état de la technique, qui
comprend une première enveloppe 2 autour d'un corps de chauffe 1, qui est adaptée
de manière à assurer la dissipation maximale de la chaleur ainsi qu'une vision du
feu et un rayonnement optimal. Avec ce corps de chauffe 1, l'appareil de chauffage
de l'invention comporte également différents moyens de combustion adaptés au combustible
solide, liquide ou gazeux utilisé. L'appareil de chauffage comporte également une
seconde enveloppe 3 entourant la première enveloppe 2, et laissant un espace pour
un déplacement d'air entre les deux enveloppes permettant de récupérer la chaleur
provenant du corps de chauffe 1 et d'acheminer la chaleur vers la pièce à chauffer
où est disposé ledit appareil de chauffage.
[0034] L'espace libre entre les deux enveloppes 2 et 3 est obstrué par une plaque 6 qui
comporte des perforations 7 et 8 destinées à canaliser l'air chaud 12 et l'air froid
11 qui circule dans l'espace entre les deux enveloppes. Par la suite, on utilisera
également les termes orifices ou ajutages pour désigner les perforations 7,8.
[0035] Dans l'état de la technique, aucune contrainte n'est donnée pour la position ou la
forme des orifices ou perforations 7, 8, ceux-ci pouvant même être sous forme d'une
paroi à claire-voie, de "persiennes" ou sous forme de grille. Il s'ensuit qu'on n'optimise
pas dans les dispositifs connus la direction et la vitesse des flux d'air entrant
11 et sortant 12 respectivement.
[0036] Selon l'invention, les orifices d'entrée 8 et de sortie 7 de l'air dans la double
enveloppe sont calibrés expérimentalement.
[0037] Ainsi, étant donné que l'espace entre les faces avant des deux enveloppes 2 et 3
est essentiellement obstrué par la plaque 6, l'air froid de convection pénétrant dans
l'appareil de chauffage par les perforations 8 de la plaque 6 est également mieux
canalisé.
[0038] De tels appareils de chauffage sont habituellement disposés dans la partie basse
des pièces à chauffer afin de favoriser le flux ascendant de la chaleur vers celles-ci.
[0039] Selon l'invention, l'air ambiant 11, généralement froid, est canalisé au niveau de
la partie la plus basse de l'appareil en pénétrant par les perforations ou orifices
calibrés 8 disposés sur la partie inférieure de la pièce métallique 6 ou en dessous
de la pièce métallique.
[0040] Par un tel système, la sortie de l'air réchauffé 12 par les perforations ou orifices
7 situés sur la partie haute de cette même pièce métallique 6 se fait ainsi de manière
optimale.
[0041] Comme il apparaît à la figure 1, la plaque 6 peut comporter un débordement extérieur
5 dépassant de la face avant de la deuxième enveloppe et pouvant servir de raccord
de l'appareil encastrable sur une structure portante tel qu'un mur ou une cheminée
ou pouvant servir de structure décorative cachant un tel raccord (non représenté sur
la figure).
[0042] Considérons une double enveloppe classique naturellement convective d'un foyer sec,
telle que représentée en coupe sagittale à la figure 2.
[0043] On n'a pas représenté la vitre située entre les points A et D, ni les équipements
d'amenée d'air, ni les exutoires de gaz brûlés.
[0044] La pompe convective naturelle est la colonne d'air chaud CB de hauteur h. Sa pression
motrice vaut

où g est l'accélération de la pesanteur et Δρ la différence de densité moyenne entre
la colonne d'air chaud CB et l'ambiance. On a :

où ρ
ambi est la masse volumique de l'air ambiant, T
ambi est la température absolue de l'ambiance et T
CB est la température moyenne absolue de la colonne CB. Finalement,

[0045] D'autre part, la vitesse d'éjection de l'air chaud 12 en A est donnée par la formule
de Bernouilli, dans le cas d'un ajutage idéal sans frottement ni remous :

où P
A est la pression dynamique en A, équivalente à P
B moins la perte de charge sur le tronçon BA, ρ
A est la masse volumique de l'air chaud en A et V
A est la vitesse de l'air émis à l'atmosphère 12, la pression statique étant considérée
comme nulle dans le cas présent.
[0046] On a finalement :

où ρ
A = ρ
ambi (T
ambi/T
A), avec T
A la température absolue de l'air chaud en A.
[0047] En conséquence, le débit massique d'air supposé constant sur toute la trajectoire
est donné par :

ou par la fonction puissance

où 1/3 < n < 1/2, la valeur de n dépendant du régime aérolique, où α est coefficient
dépendant de la forme et de la taille des orifices calibrés et où Σ pertes de charges
est la somme des pertes de charge singulières en D, C, B et A et linéaires sur les
tronçons DC, CB et BA.
[0048] Pour maximiser l'énergie cinétique du flux horizontal 12 selon l'invention, il faut
obtenir la plus grande vitesse possible en A et donc la plus haute température possible
sur le tronçon CB. Il faut donc amener l'air à être le plus chaud possible en C.
[0049] Or le tronçon d'entrée DC est stratifié thermiquement : dans la chambre de combustion,
la sole chaude est située en position supérieure, la paroi froide étant en position
inférieure. Cette situation est prépondérante par exemple dans un appareil de chauffage
à bois chargé en braises, un appareil de chauffage à mazout à brûleur très chaud ou
encore dans un appareil de chauffage à gaz rayonnant.
[0050] Il faut donc "briser" à nouveau la stratification dans ce tronçon pour arracher efficacement
la chaleur de la sole, c'est-à-dire à la partie supérieure de la double paroi constituant
la partie inférieure DC de la chambre de convection.
[0051] On obtient cet effet en augmentant les gradients latéraux (horizontaux) de vitesse
de l'air caloporteur 11 entrant en D. Selon l'invention, on aménage ainsi des ajutages
d'injection calibrés où l'air aspiré par le tronçon CB entre en ligne droite horizontale
depuis l'ambiance.
[0052] Le tronçon CB est calibré pour un équilibre optimum entre la plus haute température
possible et les plus petites pertes de charge, afin d'assurer une meilleure convection
naturelle sur une paroi chaude verticale déjà alimentée en énergie turbulente par
des injecteurs D débitant dans le tronçon DC. Le tronçon supérieur BA n'est pas stratifié
thermiquement car la plaque chaude est en l'occurrence en position inférieure. Ce
tronçon sera donc avantageusement de section la plus grande possible pour limiter
les pertes de charge et de vitesse.
[0053] De manière générale, la section totale aérolique S
A des ajutages en A est rapportée à la section totale aérolique des ajutages en D par
la relation suivante

où T
A et T
amb sont respectivement les températures absolues en A et à l'ambiance, cette expression
tenant compte de la dilatation du débit volumique à débit massique constant.
[0054] La forme des orifices est agencée dans des limites fixées par l'esthétique, ceux-ci
étant visibles de l'extérieur, et pour avoir la plus grande section aérolique possible
pour une section réelle donnée, ce qui est d'autant plus important que la profondeur
DC est grande.
[0055] Pratiquement, on calibre les perforations (7,8) de la manière suivante. D'abord,
un "designer" propose, par exemple sur une base esthétique, un certain nombre de perforations
de forme déterminée pour les entrées et sorties de la double paroi d'un prototype
d'appareil de chauffage. Ensuite, un expérimentateur ajuste la taille des perforations,
dans le sens de la maximisation de leur section aérolique, en gardant constamment
un rapport de la section totale aérolique S
A des ajutages en A à la section totale des ajutages en D proche de la valeur correspondant
à la relation S
A = S
D x T
A/T
amb.
[0056] L'expérimentateur procède de la manière suivante. En air calme, il installe une boîte
à fumées, du genre utilisé pour les effets théâtraux, à l'entrée D de la double paroi.
Il visualise ensuite, aux régimes respectivement maximal, intermédiaire et minimal
du prototype, la trajectoire de l'air caloporteur sortant de A (12). Cette visualisation
peut être réalisée par exemple en utilisant des moyens photographiques. L'expérimentateur
ajuste alors la taille des perforations, en respectant plus ou moins la forme prescrite
par le designer, de manière à obtenir une injection naturelle d'air chaud (12) dans
la pièce, allant le plus loin en avant de l'appareil prototype, aux trois régimes
de fonctionnement précités.
[0057] L'expérience peut encore éventuellement être affinée en retirant la boîte à fumée
susmentionnée et en plaçant des thermocouples, protégés du rayonnement de l'appareil,
dans la zone de la trajectoire de l'air caloporteur sortant qui s'incurve vers le
haut. Dans cette zone, il essaie d'obtenir la température la plus élevée possible
à la plus grande distance horizontale possible de l'appareil. Par exemple, on se limite
à une ligne horizontale dans le plan sagittal, se trouvant à un mètre au-dessus de
la sortie A.
1. Appareil de chauffage comportant une première enveloppe (2) entourant un corps de
chauffe (1) et une seconde enveloppe (3) entourant totalement ou partiellement la
première enveloppe (2) et laissant un espace libre entre les deux enveloppes pour
la circulation d'un flux d'air entrant (11) autour du corps de chauffe (1), de préférence
par convection naturelle sèche, générant un flux d'air caloporteur sortant (12) dirigé
essentiellement horizontalement, caractérisé en ce qu'il comporte, reliant, tout en
obstruant l'espace libre entre les deux enveloppes, la face avant de la première enveloppe
(2) et la face avant de la seconde enveloppe (3), une plaque (6) pourvue d'une pluralité
de perforations d'entrée d'air (8) et de sortie d'air (7), calibrées expérimentalement,
pour optimiser simultanément la température et la vitesse dudit flux d'air sortant
(12).
2. Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque (6)
est réalisée en métal ou en fonte.
3. Appareil de chauffage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est encastrable.
4. Appareil de chauffage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque (6)
forme une partie de la face avant de l'appareil de chauffage.
5. Appareil de chauffage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la plaque
(6) comporte un débordement (5) par rapport à la partie avant de la deuxième enveloppe
(3), ledit débordement étant un raccord de l'appareil encastrable avec une structure
portante telle qu'un mur ou une cheminée ou une structure décorative cachant éventuellement
ledit raccord.
6. Appareil de chauffage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste
en un poêle.
7. Procédé de calibrage expérimental d'une pluralité de perforations d'entrée d'air (8)
et/ou de sortie d'air (7), pour optimiser simultanément la température et la vitesse
d'un flux d'air chaud (12) sortant d'un appareil de chauffage selon l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
:
- on pratique une pluralité de perforations de forme déterminée en guise d'entrées
(8) et sorties (7) d'air dans la plaque (6) ;
- on ajuste par essais successifs la taille desdites perforations (7,8), en gardant
constamment un rapport de la section totale aérolique, SA, des perforations de sortie d'air à la section totale aérolique, SD, des perforations d'entrée d'air essentiellement proche de la valeur correspondant
à la relation SA = SD x TA/Tamb, où TA est la température absolue souhaitée de l'air sortant en fonctionnement et Tamb, la température absolue à l'ambiance.
8. Procédé de calibrage expérimental selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il
comprend les étapes suivantes pour effectuer l'ajustement de la taille desdites perforations
(7,8) :
- en air calme, on installe une boîte à fumées à proximité des entrées d'air (8) dudit
appareil de chauffage ;
- on visualise, à des régimes de fonctionnement respectivement maximal, intermédiaire
et minimal dudit appareil de chauffage, la trajectoire de l'air caloporteur sortant
(12), ladite visualisation étant réalisée de préférence par des moyens photographiques
ou vidéo ;
- on ajuste la taille desdites perforations d'entrée (8) et/ou sortie(7), en respectant
essentiellement la forme de départ desdites perforations (7,8), de manière à maximiser
la distance limite, mesurée à partir dudit appareil de chauffage, à laquelle on obtient
un flux d'air chaud sortant (12) essentiellement horizontal, pour chacun desdits trois
régimes de fonctionnement.
9. Procédé de calibrage expérimental selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce
qu'il comprend les étapes suivantes pour effectuer l'ajustement de la taille desdites
perforations :
- on place au moins un thermocouple, protégé du rayonnement dudit appareil de chauffage
en fonctionnement, dans la zone où le flux d'air caloporteur sortant (12) est essentiellement
horizontal et commence à s'incurver vers le haut, définissant une distance limite
mesurée à partir dudit appareil de chauffage ;
- on ajuste la taille desdites perforations d'entrée (8) et/ou de sortie (7), en respectant
essentiellement la forme de départ desdites perforations (7,8), de manière à maximiser
la température mesurée par ledit thermocouple, à des régimes de fonctionnement respectivement
maximal, intermédiaire et minimal dudit appareil de chauffage, à ladite distance limite.