Le principe du bouclage consiste à créer une circulation permanente ou à plages horaires définies, de l’eau chaude sanitaire, entre le point de production et le point de soutirage. C’est de cette façon que l’on garantit d’avoir de l’eau chaude instantanément en ouvrant le robinet. Autrement dit, l’eau de la conduite chaude sous le point de soutirage et renouvelée en permanence ou durant certaines plages horaires. Souvent, ce principe nécessite l’utilisation d’une pompe électrique spéciale appelée circulateur sanitaire. C’est en pilotant par un programmateur horaire le moment d’alimentation de cette pompe que l’on peut déterminer les plages durant lesquelles l’eau chaude sera disponible instantanément au point de soutirage.
Cependant, il existe le principe du thermosiphon, lequel utilise les différences de températures entre deux points d’une boucle afin d’établir une circulation naturelle de l’eau. C’est ce que nous proposons dans cet article.
Schéma
Le thermosiphon fonctionne dans ce cas en utilisant la différence de température qui existe entre le bas et le haut du ballon d’eau chaude sanitaire.
La technologie du clapet anti retour mentionné sur le schéma, ainsi que son sens de montage, doivent être scrupuleusement respectés. Son rôle est d’empêcher l’alimentation en eau froide de la conduite d’eau chaude lors du soutirage. Ce clapet ne doit opposer aucune résistance à la légère circulation de l’eau et doit être ouvert par défaut lorsqu’on ne consomme pas d’eau chaude. D’où la nécessité d’utiliser un clapet battant, en veillant à ce que la gravité ait tendance à l’ouvrir lorsqu’il ne subit aucune contre-pression.
Il est important d’isoler les conduites : si la branche du retour n’est pas isolée, le thermosiphon sera accéléré, mais cela n’a pas de sens : on dissiperait de l’énergie dans l’environnement, et, précisément, le rôle du thermosiphon est de palier le problème de l’eau immobile qui aurait eu le temps de refroidir. Avant toute chose, il faut isoler scrupuleusement les conduites d’eau chaude sanitaire, y compris l’éventuelle branche de retour du bouclage.
Conclusion
Cette amélioration relativement simple apporte non seulement du confort, mais aussi des économies d’eau. En effet, rares sont les courageux qui commencent à se doucher avant l’arrivée de l’eau chaude en ouvrant le mitigeur. De plus, le principe du thermosiphon est passif et n’induit pas de consommation d’énergie supplémentaire.
Nous vous proposons un circuit de chauffage à hydro accumulation, surtout dédié au chauffage au bois, un peu différent de ce qui est « normalement » mis en œuvre. Cette conception peu fréquente présente plusieurs avantages.Toutes les remarques qui vont suivre se réfèrent au schéma situé en bas de page, comme dans beaucoup de nos articles.
Dans le cahier des charges de cette conception, nous avons imposé : l’utilisation d’anciens cumulus récupérés pour constituer la réserve de chaleur, le fait de ne soumettre les pompes de circulation qu’à des températures froides, le fait de pouvoir asservir précisément la température de départ. Ces trois contraintes appliquées simultanément induisent l’impossibilité d’inverser naturellement le sens de circulation de l’eau dans la réserve de chaleur, cette dernière ne faisant pas office de bouteille casse-pression (une seule entrée et une seule sortie). Dans cette conception, nous devons donc gérer totalement l’aiguillage du débit d’eau selon les différentes phases de fonctionnement de l’installation. Pour ce faire, nous aurons recours à des vannes motorisées ains qu’à une vanne innovante : la vanne à quatre voies à retours séparés, que nous vous invitons à découvrir dans la suite de l’article.
Vannes multi-voies : avant propos
Dans cet article, nous évoquons les vannes dites trois voies et les vannes dites quatre voies. Dans le domaine de la plomberie, ces termes peuvent désigner deux types de vannes : les vannes de permutation et les vannes mélangeuses. Les vannes dites de permutation servent à permuter totalement de façon discrète (tout ou rien) des connexions entre des circuits hydrauliques. Dans le cadre du chauffage, il s’agit de vannes dites mélangeuses, dont vous trouverez les schémas de principe dans la suite de l’article.
Avantages de la conception proposée
Les avantages d’une vanne dite quatre voies en ce qui concerne la régulation de la température de départ :
Les vannes dites quatre voies conventionnelles permettent de mitiger la température de départ. C’est à dire qu’elles permettent de mélanger l’eau en provenance de la chaudière avec une fraction de l’eau qui revient du circuit des émetteurs (radiateurs, planchers chauffants, etc.). Mais, cela a pour conséquence simultanée de mitiger l’eau de retour, c’est à dire, celle qui doit retourner être réchauffée par la chaudière. Ceci est néanmoins parfois un avantage, car augmenter la température du retour sur la chaudière peut s’avérer bénéfique voire indispensable.
Le réchauffage du retour est obligatoire pour éviter la condensation sur les foyers des chaudières à bois, et, est aussi recommandable sur les chaudières à fioul en fonte ou en acier. La condensation est la cause de la corrosion prématurée des foyers. Cependant, avec une vanne quatre voies, ce serait un pur hasard si la température de départ désirée (précisément) était en adéquation avec la température de retour nécessaire à la préservation de la chaudière.
Pour notre application, le fait que la vanne quatre voies mitige le retour est un problème. L’eau de retour ne peut pas s’utiliser de façon optimale pour le stockage dans une réserve. Il n’est donc pas pertinent d’envoyer le retour mitigé dans un ballon tampon. Le stockage de chaleur est en effet optimal lorsque la température de l’eau stockée est maximale.
Schéma de principe d’une installation traditionnelle à vanne quatre voies. Une seule des deux pompes représentées sur le schéma est nécessaire. Il existe aussi des installations où les deux pompes sont présentes.
La vanne à quatre voies porte bien son nom : il y a quatre ports de connexion et quatre chemins possibles pour l’eau y circulant : A -B, A-D, C-B, C-D. Nous verrons que la vanne dites à trois voies porte mal son nom, elle comporte trois ports, mais seulement deux chemins possibles.
Vannes quatre voies lorsqu’elles sont en butées. Si c’est la température de retour à la chaudière qui est pilotée par l’automate pour ne jamais descendre en dessous de 60°C par exemple : le plein rebouclage survient au démarrage de l’installation lorsque la chaudière n’est pas encore chaude, et le plein cyclage survient lorsque la température de retour du circuit des émetteurs est supérieure ou égale à 60°C. Ce dernier cas peut survenir à la mi-saison, lorsque la consommation de chaleur dans les locaux est faible.
Les avantages d’une vanne trois voies en ce qui concerne le retour à la température maximale :
En effet, une installation à vanne trois voies conventionnelle permet un retour vers le ballon de stockage à la plus haute température disponible, le rendant ainsi performant. Il existe quatre types de montages : le montage en mélange, en mélange inversé (appelé aussi répartition), en décharge et en décharge inversée.
Avec un montage dit « en mélange » la régulation du chauffage se fait en changeant le débit qui est attribué à la chaudière, avec un débit constant dans les émetteurs. La vanne trois voies mélange l’eau de retour avec un débit plus ou moins important d’eau en provenance de la chaudière. La température de départ est donc mitigeable, mais dans ce cas, la chaudière (à bois) risque de ne pas fonctionner à puissance nominale, là où son rendement serait théoriquement le plus élevé, puisque le débit y est variable.
Avec un montage dit « en décharge », en revanche, le débit est constant dans la chaudière, mais en contrepartie, la température de départ vers le circuit des émetteurs n’est pas régulée et correspond toujours à la température de sortie de la chaudière. Dans un tel cas, la température des tuyaux est plus élevée, ce qui peut ne pas convenir à toutes les installations telles que les planchers chauffants par exemple. Le circuit d’émetteurs n’est pas alimenté en basse température à proprement parler, c’est la variation du débit à l’entrée des émetteurs qui fait office de régulation de chaleur.
Les avantages sur la température de l’eau pompée par les circulateurs :
Cette conception permet aussi de soumettre les pompes de circulation (appelées parfois accélérateurs ou circulateurs) à des températures plus basses, augmentant ainsi la durée de vie de leur moteur. Les pompes refoulent l’eau froide au lieu d’aspirer l’eau chaude.
Les avantages sur la réduction des coût de la réserve de stockage :
Cette installation permet d’utiliser des réservoirs de chaleur pouvant être des ballons d’eau chaude sanitaire récupérés, dépourvus des accessoires liés à l’utilisation du phénomène de stratification. Il est en effet possible de réaliser cette réserve avec de banals cumulus électriques récupérés, dont les parois sont en bon état, mais dont la résistance électrique est hors d’usage. Nous évitons ainsi l’acquisition d’un ou plusieurs ballons spécifiques très couteux. Dans les systèmes « commerciaux » ordinaires, c’est souvent la stratification qui permet l’utilisation d’un réservoir unique. La stratification consiste à prendre en compte le fait que, dans un réservoir de chaleur, l’eau la plus froide se situe en bas, alors que l’eau la plus chaude se situe en haut. Ainsi, on raccorde plutôt les chauffe-eaux solaires en bas du réservoir, et les chaudières plutôt au milieu, pour assurer généralement le fait de pouvoir effectuer les échanges de chaleur dans le bon sens. On peut aussi trouver dans ces ballons, un autre réservoir faisant office d’échangeur, et contenant l’eau chaude sanitaire. Ces réservoirs multifonctions coûtent entre 1500 et 3000 euros en moyenne selon leur capacité. Dans notre cas, c’est le fait que l’échangeur solaire se comporte en soutien ou en substitut de la chaudière principale qui implique la non nécessité d’avoir recours à un ballon spécifique.
Ballon tampon muni de deux échangeurs, celui du bas étant dédié aux sources de chaleur à températures potentiellement modérées (chauffe eau solaire), et celui du haut étant parfois dédié à la préparation instantanée d’eau chaude sanitaire. La masse d’eau du ballon est généralement directement chauffée par une chaudière à bois. Les échangeurs servent à créer des séparations entres différents circuits hydrauliques.
Les avantages d’un ballon tampon et E.C.S. combinés :
Cette conception permet d’utiliser la réserve de chaleur principale pour la convertir en eau chaude sanitaire. Si le ballon d’eau chaude sanitaire possède une résistance électrique pour compléter la chaudière à bois et le chauffe eau solaire, nous évitons tant que possible son utilisation. La consommation électrique de cette pompe serait environ de 40 Watts, contre 1000 à 3000 Watts pour la résistance électrique. Aussi, le temps de chauffe avec une résistance électrique risque d’être plus grand que le temps de transfert d’un certain volume d’eau déjà chauffé via une énergie moins coûteuse.
En résumé, la conception proposée permet de réguler la température de départ tout en séparant l’eau froide du retour de l’eau chaude excédentaire qui est alors dédiée au stockage, nous avons donc les avantages des deux montages « décharge » et « mélange », tout en ayant recours à des réservoirs de chaleur récupérés :
le débit dans les émetteurs est sensiblement constant ;
la température de départ vers les émetteurs est régulée (mitigée) ;
le débit dans la chaudière est constant (rendement maxi) ;
la température de stockage est toujours la plus haute disponible ;
le réservoir de chaleur est quasiment gratuit et peut être constitué de différents cumulus faciles à manipuler et à transporter individuellement.
Le pilier central de la conception proposée : la vanne à quatre voies à cinq ports
Afin de bénéficier du débit constant dans les émetteurs, du débit constant dans la chaudière, du stockage à la température maximale ainsi que de la régulation fine de la température de départ, cette conception utilise ce que l’on peut appeler rigoureusement, une vanne à quatre voies à ports de retours séparés. Elle est réalisée à l’aide de deux vannes à trois voies (même s’il est inexact de les nommer ainsi, pour les raisons précédemment évoquées), couplées mécaniquement.
Avec cette vanne, nous bénéficions des avantages d’une vanne à quatre voies conventionnelle, mais sans mélanger l’eau froide provenant des émetteurs de l’eau chaude excédentaire dédiée au stockage.
Inconvénients de la conception proposée
En cas de demande de stockage total (sans alimentation du circuit des radiateurs) ou de demande d’utilisation directe (sans circulation dans le stockage), on obtient deux circuits hydrauliques ne communicant plus entre eux, à l’exception des fuites qui existent dans les vannes trois voies. Cela peut créer des différences de pression, qui ne sont pas critiques mais qui imposeraient, selon la qualité et le type des vannes trois voies, l’utilisation de deux vases d’expansion distincts.
La conception gère intégralement les pressions dans le circuit, il ne peut donc, tel que dessiné ici, gérer qu’une seule gamme de température pour un seul circuit. On pourrait néanmoins palier ce problème via l’utilisation d’une bouteille de découplage hydraulique (bouteille casse pression ou bouteille de mélange), mais dans ce cas il faudra ajouter des circulateurs et des vannes régulées pour chaque circuit : dans un tel cas, la régulation fine du circuit primaire perd tout son intérêt.
En cas de positions extrêmes de la vanne à quatre voies à retours séparés, des phénomènes de circulation a contresens peuvent survenir. Cela implique la présence de clapets anti retour à certains endroits. Ceci est induit par l’absence de découplage hydraulique entre les deux pompes. En conséquence, les deux pompes principales doivent être dimensionnées de façon identique. Si la chaudière est très puissante, la pompe de circulation de cette dernière doit être adaptée, mais, pour que le système soit équilibré et que les flux se fassent dans le sens voulu, la pompe du circuit des émetteurs devra être identique et éventuellement inutilement trop puissante.
Remarques complémentaires
Ce système est prévu pour être équipé d’une partie commande (microcontrôleur, automate programmable ou PC selon vos préférences) qui gère l’état des vannes motorisées selon des grandeurs de températures captées à différents endroits : par exemple, lorsque la chaudière à bois est à court de combustible, la température de cette dernière chute, et la partie commande peut décider automatiquement de passer sur l’exploitation de la réserve.
Deux circulateurs couvrent les fonctions principales de stockage, alimentation du circuit des émetteurs (radiateurs, planchers chauffants, etc.). Le circulateur 17, ne fonctionne que ponctuellement, lors de l’utilisation de la chaleur du stockage pour produire l’eau chaude sanitaire.
Au vu du coût de l’énergie bois, on peut décider, pour plus de confort, de maintenir le ballon d’eau chaude sanitaire à sa température de consigne à toute heure tant que la chaudière bois est en fonctionnement. Ce serait moins pertinent et plus économique/écologique de gérer la production d’E.C.S. par plages horaires si l’on fait usage d’une autre énergie, plus coûteuse (fioul, gaz, électricité, etc.).
Le retour des chaudières nécessitant un recyclage ne peut se faire que via l’utilisation d’un échangeur, compte tenu du fait que les circulateurs poussent l’eau de retour dans la chaudière. Mais d’une certaine manière, l’échangeur permet d’éviter la présence d’un circulateur supplémentaire si l’on considère que le principe premier de cette installation (double vanne trois voies) en nécessite obligatoirement deux.
Le chauffage solaire et le chauffage basse température
Le chauffage solaire est connu principalement pour la production de l’eau chaude sanitaire, mais peut aussi contribuer au chauffage de l’habitation. La subtilité réside dans le fait que la température maximale que peut produire à un certain moment le chauffe-eau solaire peut ne pas suffire à obtenir un flux de chaleur dans le bon sens. C’est à dire, venant du chauffe eau solaire pour rentrer dans l’eau chaude du circuit et ainsi contribuer à réaliser des économies de combustible (bois, fioul, gaz, selon votre chaudière principale).
En effet, si l’eau chaude du circuit de retour (provenant des radiateurs) est à une température toujours supérieure à celle produite par le chauffe-eau solaire, vous ne pourrez pas transférer l’énergie solaire dans votre circuit de chauffage. Pourtant, dans un tel cas, votre chauffe-eau solaire peut tout à fait être en train de produire de l’énergie.
Si la température extérieure est de 12°C et que l’eau sortant du chauffe-eau solaire est à 25 °C, cela signifie bel et bien qu’il récupère de l’énergie. Mais, si l’eau de retour du circuit de chauffage est à une température supérieure ou égale à 25°C, alors, l’énergie solaire ne rentrera pas dans le circuit de chauffage. Ainsi, on comprend l’utilité du chauffage dit « basse température » utilisant des planchers chauffants ou de très grands radiateurs. Plus la température de l’eau de retour sera basse (au minimum théoriquement égale à la température à l’intérieur du logement), plus une source hydrothermique simple (sans pompe à chaleur) sera susceptible d’y ajouter de l’énergie.
En théorie, si les déperditions dans les chauffe-eaux solaires étaient nulles, la température ne cesserait d’y croitre, pour peu qu’il y ait toujours de la lumière. Ainsi, la température finirait par systématiquement être supérieure à la température du circuit de retour, à débit nul (utiliser l’intermittence de la circulation d’eau, peut être une solution). Cependant, dans la réalité, les capteurs solaires ont des déperditions, d’autant plus fortes que la température est élevée. Il faut veiller à ce qu’ils ne deviennent pas des radiateurs réchauffant l’extérieur en puisant l’énergie dans le circuit de chauffage primaire.
Il existe une solution permettant d’exploiter plus efficacement l’énergie produite par le chauffe eau-solaire : ce n’est autre que la pompe à chaleur. Moyennant un apport d’énergie électrique par exemple, elle permettrait de pomper l’énergie thermique solaire. On pourrait tout à fait alimenter un « petit » réservoir intermédiaire en eau à température modérée dans lequel on ne pomperait la chaleur solaire que de façon intermittente.
Remarques complémentaires sur le fonctionnement de l’échangeur solaire
L’échangeur solaire est installé en amont de la chaudière à bois (laquelle peut être d’autre nature : gaz, fioul, etc.) parce qu’il a pour but, lorsque la production solaire est insuffisante, de préchauffer l’eau de retour. De cette façon, nous soulageons la chaudière principale. Si la chaudière principale voit une eau plus chaude lui revenir, sa propre régulation (calorstat et trappe de tirage, dans le cas d’une chaudière à bois conventionnelle) réduira sa puissance, induisant une réduction de consommation de combustible.
Entre l’échangeur solaire et la chaudière, nous devons donc installer une vanne trois voies. Cette vanne a pour but de bypasser la chaudière principale, dans le cas où le chauffage solaire est suffisant. En effet, si nous laissions l’eau chauffée par le soleil traverser une chaudière à l’arrêt, cette dernière génèrerait ce que l’on appelle des pertes par balayage. En effet, le foyer demeurant chaud, un phénomène de convection naturelle induirait un tirage. La circulation d’air dans le foyer refroidirait alors ce dernier. Nous pourrions être tenté de simplifier le système en utilisant une trappe de coupure de tirage située dans le conduit de fumées. Une telle trappe devrait impérativement être équipée d’un détecteur afin qu’il n’y ai pas d’oubli d’ouverture lors de la remise en marche de la chaudière. Cependant, même avec un tel dispositif, on maintiendrait un foyer chaud générant des déperditions dans la pièce où se situe la chaudière. Ce phénomène est sans conséquence en saison de chauffage, puisque la chaudière contribuerait à réchauffer le local où elle se situe. Il n’en n’est pas de même en saison estivale. Le phénomène de chauffage parasite en été serait encore plus conséquent si la chaudière était en fait une cuisinière chaudière. L’énergie solaire réchaufferait la cuisine ! Nous préconisons donc l’utilisation d’une vanne trois voies (ou deux vannes couplées mécaniquement) fonctionnant en tout ou rien, selon la saison. Ainsi, il est possible, sans risque de réchauffer l’intérieur, d’utiliser une cuisinière chaudière ou tout autre type de poêle hydraulique/bouilleur.
La notion d’échangeur ultime
L’échangeur ultime est un émetteur, c’est à dire un radiateur, aérotherme ou plancher chauffant n’ayant aucune régulation. Il reçoit l’eau de fin de circuit qui n’a pas été recyclée. C’est l’eau de retour ultime, plus sa température sera basse, plus le retour total (additionné de l’eau froide du fond de la réserve) aura une température basse. Plus la température de retour sera basse, plus il sera possible de valoriser l’énergie solaire, comme expliqué précédemment. Il est tout à fait possible, dans le cas d’une maison équipée d’une VMC double flux, d’insérer un échangeur eau/air après l’échangeur de la VMC. Cet échangeur peut tout à fait être mixte et recevoir en saison estivale de l’eau froide provenant d’un serpentin enterré dans le sol. On pourrait alors bénéficier du principe d’un puit provençal pour rafraichir l’air intérieur. Sa position sur le retour de la vanne cinq voies n’est pas choisie au hasard. Il faut bien comprendre le mécanisme de chauffe et de régulation dans les locaux. Moins les émetteurs consommeront de chaleur, plus il y aura de rebouclage (se reporter au schéma, rebouclage = chemin pompe 6 – vanne trois voies 4.2 – émetteurs 5), donc moins il y aura de retour traversant l’échangeur ultime et plus il y aura de stockage dans la réserve. Ce fonctionnement est cohérent : moins l’échangeur ultime 20 est alimenté, moins il chauffe les locaux. Si l’on avait placé l’échangeur ultime 20 avant la pompe 10, par exemple, le fonctionnement aurait été potentiellement incohérent. Plus on aurait eu de retour de la réserve, surtout si elle est entièrement chaude, plus on aurait chauffé l’air entrant par la ventilation, alors que le stockage maximal survient précisément quand le rebouclage est minimal, c’est à dire quand les locaux sont à la température demandée. Enfin, lorsque le retour total traversant la pompe 10 est chaud, cela signifie que le besoin en chaleur est comblé, puisque le bas de la réserve est chaud. Nous pouvons donc avoir la conscience tranquille si le chauffage solaire ne parvient plus à faire rentrer de chaleur dans le système dans une telle situation.
Avertissements
Le schéma proposé ci-dessous ne mentionne pas les accessoires de sécurité indispensables dans une installation de chauffage hydraulique telles que les soupapes de sécurité thermiques, soupapes différentielles, vannes de remplissage et autres accessoires tels que les pots à boues. Il conviendra donc de le compléter par les éléments de sécurité « normaux » que « l’on retrouve habituellement » dans les circuits hydrothermiques.
Schéma
Table de fonctionnement
Cette table de fonctionnement est fondamentale, c’est elle qui permet de concevoir le programme de l’automate pilotant l’installation de chauffage et de comprendre le comportement des composants passifs ne nécessitant pas de pilotage. Pour toute remarque ou information complémentaire, vous pouvez nous contacter via le formulaire.
Alternative n°1
Peut-être que certains d’entre vous auront remarqué que, d’une part, la pompe 10 et la pompe 17 ont leur aspiration au même emplacement théorique, et que d’autre part ces deux pompes ne sont jamais supposées fonctionner simultanément. Cela signifie qu’il est possible de se débarrasser de la pompe 17, moyennant l’ajout d’une dérivation à la sortie de la pompe 10 et d’une vanne motorisée ou d’une électrovanne. Le clapet anti retour 18 ne serait également plus nécessaire. On peut toutefois noter que le comportement d’une pompe et d’un clapet anti retour est « monostable ». Cela signifie qu’en cas de dysfonctionnement de la pompe, il ne se passe rien : le clapet reste fermé. En revanche, en cas de défaillance d’une vanne motorisée, cette dernière pourrait tout à fait rester bloquée en position ouverte. Pour ne pas perturber le fonctionnement du circuit de chauffage dans un tel cas, il serait alors nécessaire de détecter la position de cette vanne pour en informer l’automate. Avec une électrovanne monostable, le problème ne se poserait plus, il suffirait d’alimenter la vanne + la pompe 10 pour transférer l’eau d’un ballon à l’autre. Enfin, la disposition mécanique de l’installation peut aussi être un critère de choix d’un système plutôt qu’un autre. La disposition spatiale côte à côte du réservoir d’eau chaude sanitaire et de la réserve peut être propice à l’utilisation d’une pompe supplémentaire (version représentée sur le schéma). C’est à vous de choisir le compromis idéal en tenant compte du coût des composants nécessaires aux différentes versions, de la complexité du programme, du nombre d’entrées sorties automate, de la réalisation mécanique (aspect plomberie), mais aussi des opportunités d’acquisition d’un matériel plutôt qu’un autre.
Conclusion
Une fois de plus, il ne faut pas hésiter à inventer soi même, surtout lorsqu’il s’agit de systèmes, comme ce circuit de chauffage, faisant appel à des principes d’hydraulique très simples. Proposer une structure ou un schéma d’un système, sauf erreurs, revient en réalité à proposer le cahier des charges auquel il répond. Dans ce cas, nous nous étions imposé le fait d’obtenir presque tous les avantages des différents montages courants, et la non utilisation de ballons de stockage de chaleur spécifiques relativement coûteux.
Nous proposons ici un concept qui consiste à échanger la chaleur des gaz d’échappement d’une machine thermique (moteur automobile par exemple) lorsqu’ils sont sous pression. Nous ferons appel au tube de Ranque-Hilsch plutôt qu’à un détendeur (option plus simple, qui reste toujours possible) mais avec un doute sur son efficacité avec les gaz d’échappement qui devraient être théoriquement débarrassés de l’eau qu’ils contiennent. L’excellente condensation de l’eau lorsque les gaz d’échappement sont sous pression est une aide précieuse au séchage. Cependant, il peut être nécessaire d’ajouter un dispositif utilisant, par exemple, du gel de silice afin de parfaire le séchage. La présence d’eau pourrait en effet entraver partiellement voire totalement le fonctionnement du tube, avis aux expérimentateurs. Le tube de Ranque-Hilsch joue à minima le rôle de détendeur, mais sa sortie côté froid, en cas de fonctionnement défaillant, ne ferait pas l’objet d’une récupération de chaleur, avec le schéma proposé. Dans ce cas il serait préférable de remplacer le tube par un simple détendeur. On notera également que, contrairement à une pompe à chaleur à compression thermique, les pistons du moteur ne transmettent que des efforts internes au vilebrequin du fait de l’absence de transmission mécanique externe. Nous n’avons notamment plus le phénomène de torsion totale du vilebrequin lorsque le piston le plus éloigné du « disque d’embrayage » est moteur. Un tel dispositif utiliserait de préférence un régime moteur très faible (ralenti) afin de minimiser les vibrations et garantir une durée de vie importante, surtout dans le cas d’un moteur « récupéré ». Nous pouvons par exemple conseiller l’utilisation d’un moteur FIRE (équipant principalement les modèles de la marque FIAT), car certains d’entre eux ont pour particularité de ne pas se détériorer en cas de défaillance de leur courroie de distribution. Cela peut être particulièrement intéressant pour une machine devant fonctionner en continu.
Schéma
Nomenclature explicative
1. Carburateur à gaz : il remplace le carburateur à essence d’origine du moteur.
1.1 Arrivée de GPL (butane ou propane) ou de gaz de ville (méthane).
1.2 Arrivée d’air.
2. Moteur à gaz : constitué d’un moteur à essence automobile à carburateur.
2.1 Admission.
2.2 Échappement.
2.3 Retour du circuit de refroidissement.
2.4 Départ circuit de refroidissent.
3. Clapets anti retour : au nombre de un par cylindre, ils servent à empêcher la contre pression de 10 bars d’ouvrir les soupapes d’échappement. Ces dernières sont usuellement ramenées par des ressorts à l’exception des moteurs desmodromiques.
4.Échangeur : il transfère la chaleur des gaz d’échappement au circuit de chauffage.
5. Limiteur de pression : c’est une soupape de sécurité qui limite la pression aux alentours de 10 bars.
6. Récupérateur de condensats : il récupère les condensats et doit être particulièrement efficace pour ne pas entraver le bon fonctionnement du tube de Ranque-Hilsch.
7.Tube de Ranque-Hilsch : c’est le système qui permet de pomper la chaleur via une alimentation en gaz sous pression.
7.1 Alimentation du tube de Ranque-Hilsch
7.2 Sortie chaude du tube de Ranque-Hilsch
7.3 Sortie froide du tube de Ranque-Hilsch
8. Échangeur : il transfère la chaleur pompée par le tube de Ranque-Hilsch dans le circuit de chauffage.
9. Échangeur : il transfère la chaleur de la culasse du moteur à gaz dans le circuit de chauffage.
10. Vanne trois voies : elle permet, selon une comparaison automatique de la température extérieure avec celle des gaz d’échappement, d’utiliser ou non l’échangeur 10.
11.Échangeur coaxial gaz d’échappement/air ambiant.
12. Filtre à air : filtre à air du moteur.
13. Échappements définitifs : situés à l’extérieure du bâtiment, ils évacuent les gaz brûlés. Il est possible, du fait du caractère stationnaire de l’installation, d’utiliser des pots d’échappement très silencieux car l’encombrement importe peu.
14. Retour chauffage : retour froid du circuit de chauffage.
15. Départ chauffage : départ chaud du circuit de chauffage.
16. Vase d’expansion : vase d’expansion du circuit de refroidissement d’origine du moteur thermique.
Conclusion
Une fois de plus nous n’avons pas décrit les importants dispositifs de sécurité qui doivent compléter une telle idée. Vous remarquerez aussi qu’il faut apporter un soin tout particulier à la réalisation de la tubulure d’échappement qui est alors sous pression, ceci afin d’éviter tout risque de fuites pouvant induire des intoxications mortelles au CO ou des asphyxies.
Le gazogène, nous l’avons déjà évoqué dans l’article sur le mimétisme technologique. Contrairement à son usage le plus répandu dans le domaine des loisirs techniques, nous proposons une version destinée au chauffage des habitations. Notez que les installations stationnaires de gazogènes sont particulièrement répandues en Allemagne et en Autriche. On les appelle en général « centrales de cogénération à biomasse ». En effet, dans ces installations, la biomasse (bois déchiqueté) est gazéifié puis injecté dans des groupes électro-générateurs dont les pertes en chaleur sont valorisées.
En revanche, notre cas ci-proposé devrait être qualifié de « chaudière à gaz de bois, à condensation ». Cette technologie cumule les avantages d’une chaudière à plaquette de bois (souvent très coûteuse) à ceux d’une chaudière à condensation pour ce qui est du rendement énergétique. De plus, la plaquette forestière est actuellement (2020) l’énergie bois la moins cher au kWh.
Avertissements
Le schéma et les explications ci-dessous ne sont jamais qu’une suggestion de conception. Elle n’intègre en aucun cas la description des organes et mesures de sécurité totalement indispensables dans une tel projet. Il y a en effet des dangers mortels tels que l’asphyxie, l’intoxication au monoxyde de carbone, les explosions, brûlures, etc. Une telle installation n’est donc absolument pas utilisable en l’état, telle que présentée dans cet article. Il ne s’agit encore une fois que d’une description sommaire de ce que serait une hypothétique installation de chauffage à gaz de bois.Un tel dispositif ne devrait en aucun cas se situer dans un local d’habitation.
Schéma
Nomenclatures explicatives
1. Gazéification
1.1 Structure principale externe du silo à plaquettes : réalisée avec un ensemble mécanosoudé de cornières en acier, elle peut ensuite être comblée de briques en béton cellulaire. Le béton cellulaire est un excellent isolant thermique résistant à la chaleur. Le tout peut ensuite être peint voire enduit.
1.2 Couvercle isolé supérieur : recouvert de laine de verre (ou de roche), il permet d’isoler le couvercle du silo. Cela permet de minimiser la condensation. Il ne faut pas oublier que le couvercle sera manipulé à chaque recharge du silo.
1.3 Couvercle du silo : il s’agit du couvercle du fut qui garantit l’étanchéité du silo.
1.4 Soupape de sécurité : accessoire de sécurité indispensable, il limite la pression dans le silo en cas de déflagration. Cette dernière pourrait survenir en fonctionnement par une intrusion d’air impromptue. Pour cette raison il est recommandé d’inter-verrouiller le couvercle 1.2. C’est à dire d’empêcher son ouverture en cours de fonctionnement comme cela se pratique sur les lave-linges, via des mécanismes spécifiques.
1.5 Poids presseur : il facilite la descente des plaquettes en réduisant la formation d’un cône vide au centre du silo.
1.6 Espace utile du silo : c’est la zone de réserve des plaquettes de bois dont le niveau baisse au fur et à mesure de la gazéification.
1.7 Isolant thermique : cet isolant est celui de partie haute du silo, soumis à des températures moindres qu’au niveau du foyer. Il peut éventuellement être de nature différente que l’isolant 1.13.
1.8 Allumeur : il permet l’inflammation des plaquettes de bois et n’entre en action que dans le cadre d’un cycle d’allumage. Il pourrait être constitué d’un système d’injection d’air chaud, ce qui est le cas dans certaines chaudières à pellets. Cependant, compte tenu de la distance importante que l’air doit parcourir dans la masse de béton réfractaire, il pourrait avoir suffisamment chuté en température pour ne plus permettre l’incandescence du bois. Un tel dispositif devrait être monté provisoirement en série avec l’air principal via un bypasse lors de la procédure d’allumage. Une autre méthode est l’injection d’un combustible liquide ou l’introduction d’une flamme de gaz. C’est plutôt à ces deux dernières options que correspond le schéma.
1.9 Arrivée d’air : il s’agit de la conduite principale d’alimentation en air du foyer du gazogène.
1.10 Foyer : c’est la zone où les plaquettes de bois sont pyrolysées.
1.11 Corps du foyer : en béton réfractaire, réalisé avec du fondu, de la chamotte, et de la vermiculite (ou de la pouzzolane), il est coulé sur des contre-formes (en polystyrène par exemple, ensuite dissoutes à l’aide d’acétone) et en emprisonnant les conduites d’arrivée d’air. La forme en diabolo est indispensable pour éviter la formation excessive de goudrons. En effet, elle contraint l’intégralité des gaz à passer par le centre chaud du foyer, favorisant ainsi le craquage.
1.12 Distributeur torique : il répartit toutes les buses d’injection d’air autour du foyer, garantissant son homogénéité et permettant ainsi la descente facile des plaquettes de bois.
1.13 Isolant thermique : devant résister aussi à des hautes températures, il est recommandé qu’il soit constitué du même béton réfractaire que la structure du foyer 1.11.
1.14 Agitateur : il permet de secouer périodiquement le plateau 1.15 afin d’éviter le colmatage .
1.15 Plateau : il retient les charbons produits par le foyer, afin de les maintenir à haute température et dans la trajectoire des gaz, car ils y jouent le rôle primordial de réducteur.
1.16 Grille de filtration : elle constitue le premier système de filtration du gaz, empêchant l’aspiration de charbons grossiers.
1.17 Structure de l’embase : elle peut être constituée d’une dalle en béton coffrée, ou d’une plaque métallique par exemple.
1.18 Couvercle isolé inférieur : muni d’un isolant thermique, il a la même fonction que le couvercle supérieur 1.2.
1.19 Couvercle du cendrier : il garantit l’étanchéité du cendrier tout en facilitant le décendrage et la maintenance.
1.20 Espace cendrier : il permet de recueillir les cendres tombées du plateau, c’est aussi depuis cet endroit qu’est aspiré le gaz produit.
1.21 Structure portante : en poutrages bois, IPN, mécanosoudure, pieds de bureaux, etc.
1.22 Conduite de transfert : elle doit impérativement être isolée thermiquement et posséder une cassure avec des raccords en té, ou un raccord en croix. Elle doit pouvoir être inspectée et nettoyée par le biais de bouchons de visite. Ces bouchons doivent être étanches mais résistants aux très hautes températures (env.600°C). De ce fait, l’étanchéité devra être effectuée par des joints métalliques, en bronze par exemple, sur des surfaces rigoureusement planes.
2. Filtration
Avants propos : la structure globale du filtre n’est pas abordée, elle est sensiblement la même que celle de la partie gazéification. Il est même possible de couler le béton réfractaire de telle sorte à ce que la partie filtration et gazéification soient comprises dans la même structure.
2.1 Récupérateur de poussières : il permet de récupérer les cendres fines centrifugées dans le cyclone 2.2 ainsi que les éventuels condensats. Les condensats doivent être minimes à cet endroit car l’isolation thermique doit maintenir les gaz à la température la plus élevée jusqu’à leur sortie de la filtration.
2.2 Cyclone : il permet de centrifuger les particules les plus lourdes qui tombent ensuite dans le récupérateur 2.1.
2.3 Grille : elle retient les éléments filtrants en laissant passer le gaz.
2.4 Charbon : premier élément filtrant, le charbon de bois bon marché se remplace à moindres frais.
2.5 Second média : le second et le troisième média de filtration peuvent être constitués de matières minérales comme la pouzzolane, la zéolithe ou l’argile sous forme de billes. Bon marchés et résistants aux très hautes températures, ils assurent la propreté des échangeurs de la partie refroidissement.
2.6 Troisième média : le troisième média de filtration est optionnel, de manière logique il doit toujours être plus fin que le précédent, ce peut être de la zéolithe si le média précédent était constitué de pouzzolane, par exemple.
2.7 Couvercle du filtre : très étanche, il doit aussi résister à des températures de l’ordre de plusieurs centaines de degrés Celsius. Un joint métallique est dans ce cas aussi de mise.
2.8 Couvercle isolé : recouvert de laine de verre (ou de roche), il permet d’isoler le couvercle du filtre 2.7.
2.9 Conduite de descente : elle permet de déplacer la sortie des gaz vers le bas, principalement pour les besoins de disposition de la partie refroidissement.
3. Refroidissement
3.1 Échangeur air/gaz : l’objectif principal de cet échangeur est de maximiser la température d’entrée de l’air dans le gazogène, réduisant à priori la formation de goudrons. La température du gaz produit s’en trouve néanmoins abaissée.
3.2Échangeur eau/gaz : l’objectif de cet échangeur est de refroidir efficacement le gaz. L’eau qui circule dans cet échangeur est prélevée sur le retour du circuit hydraulique du chauffage central. En règle générale, le gaz ne pourra jamais descendre en dessous de 50°C à la sortie de cet échangeur, c’est une température usuelle de retour d’un circuit de chauffage standard.
3.3Échangeur air/gaz : comme l’air ambiant est normalement inférieur à la température du gaz en sortie de l’échangeur 3.2, on refroidit encore le gaz. Cependant, dans un hypothétique cas idéal d’un échange efficace à 100% (et de caractéristiques identiques de l’air et du gaz de bois), la température du gaz restera toujours supérieure à celle de l’air, puisque le débit de gaz est forcément plus élevé que le débit d’air.
3.4Échangeur air/gaz : cet échangeur final n’évacue pas de calories du système global, il permet surtout le réglage de la différence de température entre l’air envoyé au brûleur et le gaz. Ceci est important car le mélange air/gaz dans le brûleur se fait de manière optimale à une valeur de différence précise de température. Il conviendra de la trouver au moment du réglage du brûleur.
3.5Vanne motorisée : cette vanne motorisée ne s’utilise pas en régulation mais en tout ou rien, elle ferme l’arrivée d’air pour arrêter le gazogène et l’ouvre au moment de la procédure de démarrage.
3.6 Filtre à air : il protège la canalisation d’arrivée d’air de l’encrassement.
3.7 Filtre à air : il protège les canalisations et le brûleur de l’intrusion de poussières. Il convient de l’adapter au débit d’air élevé demandé par le brûleur.
3.8 Récupérateur de condensat : il récupère les condensats générés dans l’échangeur 3.1 mais aussi ceux éventuellement générés par la conduite de descente 2.9, il doit être impérativement étanche.
3.9 Récupérateur de condensat : il récupère les condensats générés dans les échangeurs 3.2 et 3.3, il doit être impérativement étanche. Les récupérateurs de condensats 3.8 et 3.9 ne peuvent en aucun cas être communs.
4. Conditionnement et exploitation
4.1 Mitigeur d’air : il permet de régler la différence de température entre le gaz et l’air, ce qui permet d’optimiser le fonctionnement du brûleur.
4.2 Filtre final : constitué d’un vide cendre dont l’étanchéité parfaite a impérativement été vérifiée, c’est le dernier filtre avant le brûleur. Ce vide cendre à usage détourné récupère aussi les éventuels condensats résiduels.
4.3 Turbine air : elle fournit le brûleur en air de combustion et l’excès est utilisé en tirage induit dans le conduit de fumées 4.15. Il convient donc de s’assurer que son débit est suffisant à satisfaire les deux besoins. Si la turbine est surdimensionnée, il se peut que le tirage induit génère un débit supplémentaire non désiré au niveau du brûleur. Une vanne de restriction générale peut alors être ajoutée. Le rendement du tirage induit est forcément moindre que l’injection direct d’air dans le brûleur. C’est ce qui permet d’effectuer un réglage avec une telle disposition.
4.4 Turbine gaz : c’est la turbine qui aspire le gaz au travers de l’ensemble du système. Cette dernière doit être absolument étanche et donc de construction qualitative. Une turbine du même type que celles utilisées dans les cabinets dentaires peut convenir.
4.5 Clapet anti retour : par mesure de sécurité, en cas de déflagration, de retour de gaz, ou de panne de moteur de la turbine 4.3, il protège cette dernière ainsi que le circuit d’air.
4.6 Clapet anti retour : il assure la même fonction que le clapet anti retour 4.5 du circuit d’air et évite surtout un retour de gaz de la réserve 4.9.
4.7 Vanne motorisée : elle permet d’orienter le gaz vers le brûleur ou vers le torchère de démarrage 4.9. Elle s’utilise en tout ou rien.
4.8 Clapet anti retour : il évite un retour de flamme du torchère 4.8, il doit être complété par une grille anti retour.
4.9 Torchère de démarrage : il reçoit les gaz produits pendant la phase de démarrage et intègre une veilleuse qui tente continuellement d’allumer les gaz. Un système de détection de flamme (thermocouple ou optique) signale ensuite à la partie commande la présence de la flamme. Le cycle de démarrage du brûleur pourra alors commencer.
4.10 Réservoir de pression : il permet de stocker une légère quantité de gaz en amont du brûleur, ce qui permet d’alimenter pendant de courts instants le régulateur de pression 4.11.
4.11 Régulateur de pression : il permet, avec l’aide de la réserve 4.10, d’effacer temporairement une baisse de débit de gaz. En effet, l’évolution du foyer dans le gazogène conserve toujours un côté aléatoire propre au procédé. Il peut par exemple être constitué d’un soufflet de suspension de camion, qui capte la pression de sortie vers le brûleur puis agit sur une vanne sphérique.
4.12 Répartiteur : il permet de répartir le flux d’air entre le brûleur (fraction destinée à la combustion) et l’extracteur de tirage induit 4.16.
4.13 Brûleur : le brûleur mélange l’air et le gaz dans des conditions optimales, c’est un sujet à part entière. Un brûleur à gaz de bois doit être structuré très différemment d’un brûleur à gaz naturel ou à propane, le gaz de bois étant de nature très différente et contenant notamment du diazote.
4.14 Chaudière : c’est une chaudière pouvant recevoir un brûleur à air soufflé. Il peut donc aussi bien s’agir d’une chaudière à gaz que d’une une chaudière à fioul.
4.15 Échangeur : c’est l’échangeur qui permet de transformer la chaudière en version condensation.
4.16 Conduit d’extraction : il permet d’extraire les fumées refroidies, comme dans toutes chaudière à condensation, par l’intermédiaire d’une extraction forcée. Dans ce cas, il s’agit d’une extraction par tirage induit via la turbine 4.3.
Conclusion
Nous pourrions prendre peur en voyant la complexité apparente du schéma d’une telle installation. Mais en réalité, c’est une fois de plus la recontextualisation de certains composants qui permettrait de la réaliser relativement simplement. Comme nous l’avons mentionné avant, une telle installation comporte des risques. Il serait nécessaire de traiter aussi de la manière avec laquelle la recontextualisation d’autres composants gèrerait l’aspect sécurité. En effet, il existe des microcontrôleurs et capteurs accessibles aux particuliers. Il devient rapidement possible de se mettre en sécurité par la redondance des systèmes de détection des fuites de gaz par exemple. Comme on le pratique dans l’industrie, plusieurs contrôleurs devraient effectuer les mêmes tâches de mesure simultanément. C’est la redondance qui permettrait, dans un contexte de loisirs techniques, de gérer correctement l’aspect sécurité (lié à la détection). Il conviendrait de continuer à utiliser cette philosophie aussi dans l’aspect commande du système. Dans ce cas, les bonnes pratiques de programmation rigoureuses, n’étant que conceptuelles, ne rencontrent aucunes barrières à leur application dans le cadre d’une réalisation non industrielle. Nous n’avons pas présenté de suggestion de conception d’un brûleur adapté au gaz de bois, ce que nous ferons peut être dans la cadre d’un autre article.
Quel enfer de ne pas réussir facilement le démarrage à froid d’un poêle à bois ou d’une chaudière ! De la fumée peut se répandre en dehors de l’appareil ce qui n’est pas très commode. Certaines chaudières à flamme inversée possèdent des extracteurs, sortes de ventilateurs dans lesquels passent les fumées. Dans ce cas une aspiration forcée empêche la fumée de sortir de l’appareil lors de sa mise en route. La turbine spéciale doit alors résister à la température des fumées. Il y a une solution possible qui ne requiert pas l’utilisation d’une turbine spéciale résistante à la chaleur et qui peut s’adapter à n’importe quel poêle, chaudière ou cheminée. C’est ce que nous proposons de développer dans cet article.
Nous proposons une solution originale : en injectant de l’air dans un tube coaxial situé dans le conduit de cheminée, nous créons ce que l’on appelle un tirage induit. Il est évident que l’air froid provoque la condensation, mais ce système ne doit servir qu’à l’allumage. Cet air injecté par une turbine -qui peut n’être qu’un simple gonfleur de matelas- génère une dépression induite dans le conduit de fumée. Le coût de la turbine est très réduit (environ 15€), elle peut être de technologie variable. Si un gonfleur de matelas convient, une turbine de forge peut aussi faire l’affaire (plus solide mais plus coûteuse). Il peut être particulièrement pertinent d’implanter ce dispositif au plus haut du conduit de cheminée. Ainsi, nous évitons le problème du refroidissement du conduit, et accélérons davantage la montée en température de ce dernier lors du démarrage du poêle.
Schéma
Nomenclature explicative
1. Appareil de chauffage : chaudière ou poêle à bois dont on souhaite faciliter le démarrage.
2. Conduits de fumée.
3. Injecteur d’air : concentrique au conduit de fumée et orienté, bien évidemment, vers la sortie des fumées, il permet d’injecter le flux d’air qui génère le tirage induit.
4. Évacuateur de condensat : habituellement situé dans l’axe du conduit, il convient d’en recréer un autre, désaxé, la place centrale étant occupée par l’injecteur 3.
5. Tuyau d’injection horizontal : il doit être suffisamment long afin d’éviter que la conduction thermique n’augmente excessivement sa température au niveau du manchon 7 en risquant d’endommager ce dernier. Plus La longueur L est importante, plus la convection a tendance à refroidir le tuyau.
6. Vanne de visite et de curage : elle permet d’inspecter et nettoyer l’injecteur 3.
7. Manchon en P.T.F.E. : ce manchon en plastique résistant à la chaleur permet d’isoler thermiquement la turbine du tuyau 5. C’est d’autant plus nécessaire qu’il s’agit d’un gonfleur de matelas par exemple.
8. Vanne : à l’arrêt de la turbine 9, elle permet de limiter le passage naturel d’air lorsque le poêle ou la chaudière est en fonctionnement normal et réduire ainsi le refroidissement des fumées.
9. Turbine : constituée d’une pompe de matelas pneumatique, d’une turbine de forge etc. elle génère le flux d’air nécessaire au tirage induit.
Ce dispositif est très largement évoqué mais paradoxalement peu installé. Plusieurs sociétés commercialisent déjà des systèmes destinés à récupérer la chaleur contenue dans les eaux usées. Cette idée de récupérer la chaleur d’un fluide expulsé hors du bâtiment est plus connu dans le domaine de la ventilation. Les V.M.C. qui utilisent des récupérateurs de chaleur sont dites à double flux. Nous vous proposons le même concept pour les eaux usées.
Il est en effet dommage de dépenser de l’énergie pour chauffer l’eau avec laquelle vous vous douchez et de la laisser s’échapper dans les égouts. Si les eaux dites grises sont souillées et considérées comme usées, la chaleur, elle, ne s’use pas. Notez que les douches en circuit fermé existent aussi, moyennant l’usage de filtres.
Certains conçoivent des systèmes compacts capables de se loger sous les bacs à douche, ce qui n’est pas possible avec les systèmes que nous proposons dans cet article, mais qui possèdent d’autres atouts. Si vous êtes dans le cas où le bâtiment ne permet pas l’installation d’un réservoir ou d’un U vertical en dessous du niveau de la douche ou de l’évacuation des eaux grises, alors ce système en U horizontal est plus adapté à votre problématique. Quid de la corrosion du cuivre par les lessives et savons. Une version en acier inoxydable devrait cependant être surdimensionnée pour compenser la moins bonne conductivité thermique de l’acier comparée au cuivre. La forme de l’échangeur peut être adaptée à la forme du bac de douche et des autres contraintes spatiales. Des filtres d’eaux usées et des trappes de visites ainsi que des bouchons de curage semblent être des options judicieuses.
Ci dessous, un bon exemple par un « bricoleur » qui n’hésite pas à être scientifique :
Proposition 1 : version avec réservoir
Schéma
Nomenclature explicative
1. Réservoir isolé : c’est un réservoir, constitué d’un fut en plastique et entouré d’isolant thermique. Il permet de récupérer les eaux grises et surtout de les stocker. Ce qui implique que la récupération de la chaleur peut se faire en différé. Par exemple, lorsqu’une machine à laver a terminé son cycle d’évacuation, l’eau chaude pourra, plus tard, servir à préchauffer l’E.C.S. demandée par la douche. Cette récupération en différé n’est pas possible avec un récupérateur à échangeur « direct », qui reste néanmoins plus compact et utilisable en appartement.
2. Arrivée des eaux grises : elle doit se faire de préférence via des canalisations isolées thermiquement. Cette isolation est une nouvelle contrainte ou option, selon la manière de voir les choses, imposée par l’utilisation du récupérateur de chaleur.
3. Flotteur : il ouvre la soupape 8 lorsque le niveau d’eau l’atteint.
4. Départ d’eau froide préchauffée : elle se raccorde idéalement à l’entrée du système qui produit l’eau chaude sanitaire (ballon électrique, chaudière instantanée, etc.)
5. Échangeur thermique : constitué de plusieurs spires de P.E.R. situées à différentes positions radiales dans le fut 1, il transfère la chaleur des eaux grises à l’eau potable qui y circule. Cette disposition permet de répartir l’échangeur dans l’ensemble du réservoir 1 et ainsi accélérer l’échange de chaleur. Les différentes spires doivent être alimentées en parallèle afin de réduire la perte de charge qu’elles engendrent. Le régime est susceptible de devenir laminaire dans les spires. Leur surdimensionnement doit être tel qu’il compense la réduction de la puissance d’échange.
6. Arrivée d’eau froide.
7. Contrepoids : il permet à la soupape 8 de se refermer franchement lorsque le niveau d’eau baisse.
8. Soupape : issue d’un mécanisme de chasse d’eau, elle permet aux eaux usées de s’échapper du réservoir 1. Située au fond de ce dernier, elle assure que seule l’eau la plus froide, plus dense, s’échappe en premier.
9. Évacuation des eaux grises vers l’assainissement.
Proposition 2 : version sans réservoir
Schéma
Nomenclature explicative
1. Traversées de cloison : réalisées avec un raccord bicône, elles permettent l’étanchéité entre les canalisations d’eau potable constituées des tuyaux 4 et les parois des tampons de visite 2.
2. Tampons de visite PVC : ces tampons de visite permettent le nettoyage des canalisations en PVC et constituent aussi les cloisons traversées par les tuyaux 4.
3. Canalisations PVC : elles constituent le corps principal du récupérateur qui recueille les eaux usées en provenance de A.
4. Tuyau en acier inoxydable : c’est le long de leur paroi extérieure, en contact avec les eaux usées, que l’échange de chaleur se fait. L’alimentation doit se faire à contre courant, c’est à dire de C vers D, à l’opposé des eaux usées, qui circulent de A vers B.
Conclusion
Nous pouvons identifier deux cas principaux : le cas où l’on souhaite stocker les eaux grises pour une utilisation ultérieure de la chaleur, ce qui est généralement ce qui survient avec l’utilisation d’une baignoire, et le cas d’une récupération de la chaleur en flux continu, ce qui est généralement ce qui survient avec l’utilisation d’une douche.
Il est néanmoins tout à fait possible, ne faisant pas du « tout ou rien« , d’installer ces deux types de récupérateurs en série. Ainsi nous pouvons bénéficier des avantages de chacun des systèmes.
Dans ces deux cas, les systèmes sont simples à fabriquer et à mettre au point, mais surtout, ils constituent une évidence bien trop peu pratiquée. Le caractère stationnaire de l’installation permet, au besoin, de surdimensionner les échangeurs afin de garantir une récupération quasiment totale de la chaleur parvenue jusqu’au système.
Sur le net, nombreux sont les bricoleurs qui cherchent à fabriquer des brûleurs pour valoriser les huiles végétales usagées. Il y a deux grandes méthodes principalement utilisées. Tout d’abord le brûleur « pot » qui fonctionne comme un poêle à mazout et qui consiste en un pot rempli d’huile dont une flamme émane de la surface du combustible. Ces systèmes ne permettent pas leur intégration dans une chaudière standard et conviennent pour les poêles. Voici un exemple d’un poêle à huile bien réalisé :
Ensuite il y a la famille des bricolages qui tentent d’utiliser un système venturi où un flux d’air comprimé pulvérise l’huile. Ces brûleurs sont, par exemple, constitués d’une sphère munie d’une fente ou d’un trou autour de laquelle l’huile s’écoule, ce système est dit « brûleur Babington » :
Industriellement, les optimisations donnent des résultats efficaces, ce qui est rarement le cas en bricolage. D’autres tentent d’utiliser des pistolets à peinture. Ces deux technologies sont difficiles à optimiser. En effet, le flux d’air ne peut être réglé indépendamment du flux d’huile car ils sont liés par la technologie propre de pulvérisation, comme vous l’aurez compris. La principale difficulté de ces systèmes est le réglage de la finesse de la pulvérisation et du débit d’huile. La plupart des bricolages de ce type utilisent un récupérateur de gouttelettes et des tubes catalyseurs pour tenter de brûler toutes les gouttelettes :
D’autres tentent simplement de convertir des brûleurs standard au fioul en brûleurs à huile. Mais là, attention aux dégâts, la viscosité du fioul domestique n’est pas du tout la même que celle de l’huile végétale, et ce malgré l’utilisation de systèmes de préchauffage. D’autres brûleurs industriels à huiles assument simplement la viscosité différente en utilisant des pompes volumétriques dimensionnées en conséquence. Dans tous les cas, ne tentez jamais d’utiliser de l’huile dans un brûleur destiné au fioul domestique, cela peut être dangereux.
Le brûleur à cartouche pressurisée.
S’il n’est pas impossible de fabriquer un brûleur à huile par une pompe volumétrique adaptée ou un système venturi, il existe cependant une autre solution que nous n’avons pas encore évoquée et qui a pour avantages :
pas d’utilisation de pompe volumétrique chère et sensible,
l’utilisation possible de gicleurs standard fioul ou huile procurant un brouillard fin,
une indépendance du flux d’air et d’huile,
surpression ou dépression impossible en cas de bouchage des conduites ou des filtres.
Cette méthode qui ne semble pas du tout répandue dans la communauté des constructeurs de brûleurs à huiles est pourtant la plus répandue dans notre vie quotidienne. C’est celle qui consiste à pressuriser le fluide avec un gaz à la manière des sprays. Elle a toutefois un inconvénient, le brûleur ne peut pas fonctionner de manière continue, le plus long cycle de flamme possible dépend de la quantité d’huile pressurisée dans la cartouche. Pour un cycle plus long, il y aura forcément une interruption avec la conception proposée. Cependant les chaudières à fioul fonctionnent usuellement par cycles intermittents, et dans ce cas, l’utilisation d’une cartouche pressurisée est transparente pour l’utilisateur. Il est néanmoins possible de palier le problème de l’intermittence par l’utilisation de deux cartouches pressurisées indépendantes utilisées alternativement. La cartouche pleine prendrait le relais de la cartouche vide qui s’apprêterait à être rechargée, garantissant ainsi la continuité de la flamme.
La cartouche pressurisée est le cœur du système, elle contient l’huile combustible et l’air comprimé. Elle peut par exemple être réalisée avec une nourrice en laiton. Elle a quatre entrées/sorties. En bas se situe la connexion au circuit d’huile. Au milieu on trouve la sortie de débordement qui permet de détecter le remplissage de la cartouche. La connexion au circuit d’air comprimé se fait en haut. En haut, dans l’axe, on trouve la traversée de cloison de la conduite d’alimentation du gicleur. Enfin, le bas de la cartouche peut être équipé d’un bouchon facilitant la maintenance.
Le gicleur est un gicleur standard pour fioul avec un débit accru (compensation de la viscosité) ou pour huile végétale. Dans le cas de l’utilisation d’un gicleur à fioul « surdimensionné » il conviendra de comprendre que ses indications nominales de débit ne seront plus exactes dans cette application.
L’électrovanne de purge d’air sert à éliminer la pression résiduelle en fin de cartouche. La détection de la fin de cartouche peut se faire de plusieurs manières : soit par une temporisation, soit par la chute de pression détectée par le pressostat 12. Il est exact que la pression en fin de cycle sera plus basse que lorsque l’huile occupait davantage de volume en début de cycle. Si cette différence de pression est jugée inacceptable pour la constance du cycle, alors il est possible de la minimiser en augmentant le volume d’air comprimé. Plus la pression sera élevée et moins la différence se fera ressentir. Vous pouvez aussi réguler la pression en cours de cycle, mais il faudra détecter la fin de cycle autrement que par la chute de pression. Il convient donc de choisir un gicleur tel que la pression initiale nécessaire ne soit pas non plus trop faible. Il y a un compromis à trouver, dans tous les cas il faut expérimenter pour obtenir les bonnes valeurs de pression et de débit, selon la puissance désirée.
Le compresseur comprime l’air qui pressurise la cartouche. Il doit probablement dépasser les 10 bars, vous pourriez tenter d’utiliser un compresseur de réfrigérateur recontextualisé avec les précautions d’usage expliquées dans l’article à ce sujet.
L’électrovanne de détection de remplissage permet l’écoulement du trop plein d’huile en autorisant son écoulement vers le module de détection de remplissage. L’électrovanne de purge d’air 3 doit être maintenue ouverte pendant cette étape, afin de ne pas demander à la pompe de transfert 14 de fournir de la pression.
Nous avons utilisé un exemple avec un détecteur capacitif mais ce pourrait tout à fait être un flotteur ou un pressostat de machine à laver recontextualisé. L’ensemble de détection remplissage fonctionne par « débordement ». Un réservoir fuyard suspendu à un ressort pourrait permettre aussi l’utilisation d’un détecteur mécanique.
L’évent permet à l’huile de s’écouler correctement, bien que l’électrovanne de purge soit déjà ouverte. Cela compense l’éventuelle finesse de la conduite de débordement.
Le trop plein de sécurité permet d’absorber intégralement le débit de la pompe de transfert 14 qui ne peut s’écouler rapidement par le trou calibré 9.
Le trou calibré permet, lors du remplissage, de freiner le débit de la pompe de transfert 14, stockant ainsi une quantité d’huile atteignant le détecteur 6 (quelle que soit sa technologie).
Le clapet anti retour empêche le retour de pression de la cartouche vers le compresseur 4.
Le clapet anti retour empêche le retour de pression de la cartouche vers la pompe de transfert 14.
Le pressostat détecte les seuils de pression dans la cartouche, pour commander le compresseur et/ou l’arrêt de l’alimentation du gicleur.
Le limiteur de pression empêche les surpressions accidentelles. Si la conduite de retour doit être immergée, c’est parce qu’il existe éventuellement un risque d’échauffement de l’huile en sortie du limiteur, un contact de cette dernière avec l’air libre pourrait éventuellement l’enflammer spontanément ou à l’aide d’une cause externe. C’est une précaution discutable, car aux pressions évoquées dans cette conception, ce risque reste minime.
La pompe de transfert d’huile remplit la cartouche entre chaque cycle de flamme.
Ce filtre est le dernier avant le gicleur.
Le silencieux réduit le niveau sonore de la purge d’air de la cartouche entre les cycles.
L’électrovanne du gicleur pilote son alimentation en huile sous pression.
Dans une telle conception, les deux retours d’huile principaux ne devraient jamais être immergés dans le fluide, mais toujours être à l’air libre pour permettre l’écoulement de l’huile. En revanche le retour du limiteur de pression doit impérativement être immergé afin d’éviter toute inflammation instantanée lors d’une éventuelle arrivée à l’air libre. Il est aussi nécessaire de gérer le niveau minimal du réservoir pour maintenir l’immersion des retours. Il y aurait sans doute d’autres manières de gérer les détections de remplissage et de fin de cycle, que nous sommes libres d’imaginer. N’oubliez pas que les règles de sécurité relatives au fonctionnement général des brûleurs ne sont en aucun cas décrites dans cet article. Il ne s’agit ici que de la description d’un concept d’une hypothétique partie de la technologie nécessaire au fonctionnement d’un brûleur.
Conclusion
Cet exemple de suggestion est un sujet qui met clairement en avant l’efficacité de l’indépendance de l’esprit qui ne tombe pas dans le mimétisme. Nous pouvons nous affranchir de nombreuses contraintes telle que l’acquisition d’une pompe à haute pression spécifique et couteuse en utilisant des solutions détournées. Veuillez noter qu’il est parfaitement possible de réutiliser la structure et aussi le module de sécurité, en fait, l’intégralité d’un brûleur à fioul domestique en en excluant seulement la pompe haute pression. En effet, c’est un signal envoyé à une électrovanne simultanément à l’alimentation des électrodes qui est le point de départ de la flamme dans les brûleurs à fioul domestique. Il suffirait donc de réaliser un module indépendant, comme nous l’avons suggéré, qui gèrerait la cartouche pressurisée. Pour le brûleur d’origine, cela serait « transparent », la cartouche pressurisée mimant la présence de la pompe haute pression. Il serait judicieux, par exemple, en série sur le thermostat de la chaudière, de placer un contact commandé par le gestionnaire de la cartouche pressurisée et qui jouerait le rôle d’information « cartouche prête ».
