Bouclage d’eau chaude sanitaire par thermosiphon.

Introduction

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.

Compresseur lent à énergie hydraulique

Introduction

Nous avions évoqué, dans notre article sur le dégazeur de radon, la possibilité de récupérer une partie de l’énergie hydraulique procurée par le réseau d’eau courante. Le dégazeur de radon nécessite effectivement de casser la pression de l’eau courante. Cela implique de remettre cette eau en pression, soit par gravité, soit par un surpresseur, lequel implique une dépense d’énergie supplémentaire, notamment d’origine électrique. Nous proposions l’utilisation d’un réservoir gravitaire situé dans les combles pour éviter l’usage d’un surpresseur. La pression perdue, qui n’est pas facturée (puisque l’on paye le volume d’eau mesuré par le compteur), peut être récupérée. Nous proposons la récupération de cette énergie sous forme d’air comprimé, qui peut être stocké progressivement moyennant une rigueur dans l’étanchéité de la réserve et de ses raccords. Cet air comprimé peut servir au bricoleur à faire fonctionner des outils pneumatiques le week-end.

Schéma

Nomenclature explicative

  1. Filtre à air : il peut avantageusement être précédé d’un sécheur d’air.
  2. Lubrificateur d’air : attention, l’usage de lubrificateurs industriels n’est peut être pas adapté car ces derniers fonctionnent en pression, et avec un « fort » débit (effet venturi). Or, nous sommes dans le cas de très petits débits en dépression. Il peut être pertinent de réaliser soi même un lubrificateur adapté.
  3. Clapets anti retour d’admission.
  4. Clapets anti retour de refoulement.
  5. Compresseurs d’air : ils peuvent être réalisés avec des vérins pneumatiques.
  6. Clapet anti retour avant réserve : il permet d’éviter que les éventuelles légères fuites des raccords des conduits et des compresseurs eux mêmes ne vident la réserve.
  7. Refoulement vers la réserve : il faut prévoir un décanteur en fond de réserve pour récupérer l’huile. Il peut s’avérer pertinent pour cette dernière, de laisser l’huile y rentrer. Un déshuileur intermédiaire peut être source de fuite, de plus, l’huile peut protéger la réserve de l’oxydation. Dans le cas d’un compresseur lent, un séchage post-compression n’est pas forcément pertinent, puisque les températures de refoulements sont très basses et le débit suffisamment lent pour favoriser le fonctionnement optimal du sécheur pré-compression.
  8. Détecteur de pression seuil n°1 : il permet de mesurer la pression de refoulement, et ainsi, ouvrir les vannes 10 afin d’activer un vérin moteur supplémentaire. Avec ce principe, nous limitons la dépense d’eau en étant capable de l’adapter, dans une certaine mesure, à la pression de refoulement. Il s’agit d’un petit vérin pneumatique muni d’un ressort calibré de telle sorte qu’il n’ouvre les vannes qu’à partir de la pression de seuil choisie. Pour une compression à 10 bars, nous pouvons utiliser les seuils suivants : de 0 à 4 bars = utilisation d’un seul vérin moteur, de 4 à 7 bars, utilisation de deux vérins moteurs, de 7 à 10 bars, utilisation de trois vérins moteurs. Ces seuils dépendent évidemment de la section des vérins moteurs 12, 13 et 14 ainsi que de la section des vérins compresseurs 5. Ces détecteurs doivent impérativement être connectés avant le clapet anti retour 6, pour que leurs éventuelles légères fuites ne soient que temporaires.
  9. Détecteur de pression seuil n°2 : il active le dernier vérin moteur disponible.
  10. Vannes d’alimentation des vérins moteurs 12 : ils correspondent au seuil n°1 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 8.
  11. Vannes d’alimentation des vérins moteurs 13 : ils correspondent au seuil n°2 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 9.
  12. Vérins moteurs de seuil n°1 : leur corps (cylindre) peut être réalisé avec un tuyaux en cuivre et leur piston par une rondelle de caoutchouc percée type silentbloc. La tige peut ainsi être réalisée avec une tige filetée en acier inoxydable. En enserrant la rondelle de caoutchouc par des rondelles en acier inoxydable et des écrous freinés, nous pouvons moduler son serrage contre le tuyau. Ceci permet de compenser l’usure et garantir une bonne étanchéité. Il ne serait pas inutile de prévoir un drainage de la légère fuite d’eau possible coté tige. Cette fuite peut être récupérée. Ces vérins moteurs ne sont pas en liaison permanente avec le guidage linéaire, ils utilisent les poussoirs 21, cela évite qu’ils ne soient entrainés lorsqu’ils sont inactifs : la dépression et les frottements bloqueraient le système.
  13. Vérins moteurs de seuil n°2.
  14. Vérins moteurs principaux : ils sont en liaison permanente avec le guidage linéaire et donc avec les vérins compresseurs.
  15. Clapets anti retour : ils empêchent le mouvement parasite des vérins moteurs de seuils n°1 et n°2 lorsqu’ils sont inactifs, au moment de l’échappement des vérins moteurs principaux.
  16. Vannes d’échappement : elles libèrent l’eau motrice vers le réservoir ou le dégazeur de radon.
  17. Vannes d’admission : elles alimentent les vérins moteurs avec la pression du réseau d’eau courante.
  18. Arrivées du réseau d’eau courante.
  19. Départs de l’échappement : vers la réserve ou le dégazeur de radon.
  20. Cames : elles actionnent les vannes d’alimentation et d’échappement en fins de courses. L’alimentation et l’échappement en fin de course d’un système à mouvement linéaire composé d’actionneurs à fluide incompressible fera l’objet d’un autre article. Nous avons déjà évoqué cette difficulté dans l’article sur l’élévateur à pistons.
  21. Poussoirs : ils permettent aux vérins moteurs de seuil n°1 et n°2 de transmettre l’énergie mécanique sans être entrainés par le vérin moteur principal lorsque ce dernier est seul à agir.
  22. Guidage linéaire : il guide les tiges des vérins moteurs et permet la transmission de puissance mécanique entre les différents éléments.

Conclusion

Ce système peut être utile s’il est surtout réalisé avec des composants peu coûteux, récupérés par exemple. Il est utile si vous souhaitez récupérer la moindre quantité d’énergie à votre disposition. Rappelez vous que l’on paye le volume d’eau, sans considération de la pression à laquelle elle est délivrée chez vous. Si vous utilisez un réducteur de pression dans votre installation, alors cela signifie que vous vous privez d’une certaine quantité d’énergie que l’on peut considérer comme gratuite. Enfin, en comprimant de l’air, vous pouvez utiliser des outils pneumatiques sans utiliser le réseau électrique. L’étanchéité de la réserve d’air comprimé doit être très rigoureuse, pour que ce système ait un véritable sens, parce qu’il fonctionne par une lente accumulation quotidienne de l’air comprimé.

Circuit de chauffage central à hydro accumulation innovant avec chauffage solaire en option

Introduction

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 notre article dédié à ce sujet.

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 circulations à 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.

Le gazogène modernisé pour véhicules à moteurs thermiques

Introduction

Le gazogène est un dispositif permettant de produire un gaz combustible à partir de bois ou de charbon. Nous l’évoquons dans d’autres de nos articles. Il a servi à faire fonctionner des véhicules lorsque le pétrole venait à manquer, pendant et après la seconde guerre mondiale par exemple. Nous parlerons dans cet article uniquement du gazogène appliqué à la locomotion. Des installations stationnaires ultra modernes sont déjà utilisées pour produire de l’énergie (électricité et chaleur). Le gazogène appliqué à la locomotion est un exemple particulièrement représentatif du principe de recontextualisation. Mais c’est aussi un exemple tristement représentatif du mimétisme technologique et de la non recontextualisation. En effet, il existe dans le monde une grande communauté de bricoleurs de gazogènes, et pourtant, presque tous utilisent ou suivent à la lettre des plans périmés depuis presque un siècle !
En faisant une recherche sur internet, vous trouverez très facilement, dans la rubrique « images » des moteurs de recherche, d’anciens dessins issus de livres bientôt centenaires.
Il est difficile d’expliquer pourquoi les bricoleurs sont si peu nombreux à se dire que ces plans sont totalement « périmés ». Certains ont néanmoins ajouté des servo-vannes contrôlées par électronique afin d’améliorer le concept, mais aucun ne semble avoir fait le travail de modernisation « global ». De plus, comme l’industrie de la locomotion est dominée par le pétrole, il n’est pas surprenant qu’aucun bureau d’étude n’ai travaillé sur le sujet du gazogène dédié à la locomotion.
Ainsi, certains disent « un véhicule à gazogène, ça prend du temps à démarrer, le ralenti moteur est trop élevé, il faut régler constamment la richesse du mélange, on perd 30% de la puissance d’origine du moteur, etc. »
Il ne semble pas exagéré de dire qu’il est totalement inadmissible d’entendre ces phrases qui sont basées sur une certaine conception ancienne du gazogène, qui n’est jamais remise en question.
Vous êtes-vous déjà posé les questions de savoir comment nous pourrions résoudre tous ces problèmes, en considérant l’âge des plans disponibles ? …
Dans tous les cas, nous l’avons fait et nous vous proposons une solution de modernisation globale du gazogène dédié à la locomotion. Dans cet article nous ne nous préoccuperons pas de la partie production et filtration du gaz, puisque cette partie est souvent déjà traitée par les bricoleurs, mais aussi par les professionnels concevant les installations stationnaires. Il est relativement simple de les extrapoler au contexte du gazogène embarqué. Nous avons toutefois plus ou moins traité certaines de ces étapes dans notre article sur le gazogène stationnaire. De plus, « thermochimiquement » il n’y a pas eu d’avancées récentes qui laisseraient penser qu’une marge importante de progression existerait en ce qui concerne la conception des foyers eux-mêmes. Nous restons cependant prudents avec ce genre d’affirmations, et ne serons en aucun cas vexés de devoir admettre le contraire.

Voici un résumé rapide des solutions que nous proposons, avant d’entrer dans le vif du sujet :

  • Casser le lien direct entre le moteur et le gazogène : en effet, en intercalant un compresseur et une réserve entre le gazogène et le moteur, le lien direct qu’a la production de gaz avec le cycle du moteur est cassé. Ainsi, les effets d’irrégularités liés à l’aspect granuleux et aléatoire du foyer du gazogène sont estompés. Il est possible d’utiliser un compresseur dédié à la suralimentation en air dont on détourne l’usage. La pression de la réserve tampon ainsi créée n’a pas la nécessité d’être très élevée, quelques tours de moteur d’avance devraient suffire. Un vaste volume du réservoir tampon devrait également permettre une bonne répartition des différents gaz, créant ainsi un « gaz moyen » de composition relativement constante. Une ancienne bouteille de butane dite « 13 kg » pourrait convenir.
  • Utiliser un stockage « longue échéance » pour démarrer instantanément : si l’on comprime du gaz, lors de la phase de fonctionnement normal du gazogène, il est possible de constituer une réserve de gaz nous permettant de démarrer le véhicule instantanément, pendant que le foyer s’allume. Bien évidemment, nous pourrions imaginer utiliser un gazogène stationnaire et comprimer le gaz obtenu dans des bouteilles. Seulement, le gaz que produit un gazogène est dit « pauvre » il contient en effet du CO2, incombustible, et du diazote, lui aussi incombustible. Cela signifie qu’il faudrait dépenser de l’énergie pour comprimer des gaz inutiles. La place qu’ils occuperaient dans les réservoirs réduirait aussi considérablement l’autonomie du véhicule. La pression de stockage nécessaire aux véhicules à gaz naturel, non liquéfiable à température ambiante, est de plusieurs centaines de bars ! Rappelons aussi que le principal gaz combustible que produit un gazogène n’est autre que le monoxyde de carbone, qui est toxique. Ainsi, un stockage massif à haute pression, en plus d’être techniquement sensible, pourrait être particulièrement dangereux. De plus, le dihydrogène, produit également par le gazogène, combustible cette fois, a la fâcheuse tendance à s’infiltrer dans les joints et à fissurer les réservoirs, davantage lorsque la pression est élevée. La stockage sous pression du dihydrogène est un problème complexe et coûteux à mettre en œuvre, mais non impossible pour autant. Ce dernier est utilisé dans les véhicules à pile à combustible par exemple. Il existe aussi des bombonnes de dihydrogène gazeux dans l’industrie et les laboratoires. En résumé, nous sommes restés sur l’idée de développer un gazogène embarqué sur le véhicule, en utilisant tout de même une réserve de démarrage à pression « usuelle ». Une bouteille dédiée au gaz propane (modèle dit « 35 kg ») à 10 bars peut tout à faire faire l’affaire pour parcourir quelques centaines de mètres, laissant le temps au gazogène de démarrer.
  • Utiliser la suralimentation en air pour retrouver la puissance d’origine du moteur : dans d’anciens articles des années 40 au sujet des gazogènes, on pouvait lire que les compresseurs étaient des appareils « coûteux et sensibles » et qu’il valait mieux réaléser le moteur et changer la course en remplaçant le vilebrequin si l’on souhaitait retrouver la puissance du moteur à essence d’origine lorsqu’il fonctionnait avec du gaz de bois. Il faut penser, bien évidemment, en lisant de vieux articles, aux contextes dans lesquels ils ont été rédigés. Le terme compresseur désignait en fait les « turbocompresseurs » ou autres compresseurs de suralimentation en air. Il va de soi que, depuis les années 40, les choses ont bien changé. De nos jours, presque tous les véhicules neufs sont équipés de turbocompresseurs ! De ce fait, la solution pour regagner 30% de puissance, parce que le gaz utilisé dans le moteur est pauvre, n’est plus qu’un détail de nos jours. Nous proposons l’usage du turbocompresseur, qui est la solution de suralimentation la plus commune.
  • Utiliser une logique de commande électronique : il est évident que nous suggérons l’utilisation d’un microcontrôleur afin d’automatiser le fonctionnement du gazogène embarqué, de telle sorte qu’il n’y ai plus qu’à tourner la clé pour démarrer le véhicule. L’automatisation associée à l’usage d’une réserve « longue échéance » rend ce véhicule presque similaire à ceux fonctionnant au pétrole. La nécessité du décendrage et du nettoyage des filtres reste difficile à éliminer. Le décendrage peut se faciliter par l’utilisation d’une station d’aspiration qui se connecterait à une prise spécifique directement reliée au fond du foyer (ou des foyers s’ils sont multiples).

1.Partie préparation

Pour rappel, nous considérons que le gaz est déjà produit, filtré et correctement refroidi. La partie production du gaz est constituée du gazogène lui même, des filtres, du refroidisseur, du récupérateur de condensats, etc. Cependant, c’est le compresseur volumétrique de notre schéma qui est responsable du débit de gaz, entretenant le fonctionnement de la « partie production ».

1.1 Partie préparation, nomenclature explicative

  • 1. Tirette habitacle : elle permet d’agir sur une vanne conventionnelle type gaz, afin d’isoler la réserve longue échéance. Sa fermeture doit être obligatoire pour arrêter le moteur. Elle devra donc être équipée de détecteurs mécaniques de position, non représentés sur le schéma.
  • 2. Vanne d’isolement : vanne type gaz évoquée ci-dessus.
  • 3. Pressostat compresseur : ce pressostat est celui qui donne la consigne de fonctionnement au compresseur haute pression, lequel n’entre en action que lorsque le gazogène a pris le relais sur la réserve longue échéance, afin de garantir le stockage d’un gaz suffisamment riche.
  • 4. Capteur de pression : le capteur de pression, lui, donne au microcontrôleur la valeur de la pression dans la réserve longue échéance. Elle peut ensuite être retransmise à la jauge située dans l’habitacle. Veuillez noter qu’il est totalement proscrit d’utiliser un manomètre qui serait placé dans l’habitacle. En effet, cela voudrait dire qu’un capillaire relierait physiquement le réservoir à l’habitacle, en cas de fuite, cela pourrait se solder par une intoxication mortelle au monoxyde de carbone.
  • 5. Électrovanne « exploitation » : l’électrovanne exploitation , commandée par le microcontrôleur, permet de décider des moments d’utilisation de la réserve. Elle se ferme au moment où le gazogène prend le relais, et s’ouvre au démarrage pour utiliser le moteur instantanément.
  • 6. Pot décanteur : il a pour fonction de recueillir les condensats issus de la compression du gaz.
  • 7. Vanne de purge : manuelle ou automatique, elle permet de purger le pot décanteur.
  • 8. Limiteur de pression : c’est un accessoire de sécurité indispensable à tout système de compression, elle peut être équipée d’un détecteur mécanique pour avertir la partie commande (microcontrôleur) d’un éventuel dysfonctionnement.
  • 9. Clapet anti retour : même si le compresseur 10 lui même contient un clapet supposé jouer le rôle d’anti retour, il est recommandé d’en utiliser un autre en redondance, dont la qualité peut être indépendante de celle du compresseur.
  • 10. Compresseur haute pression : il comprime le gaz dans la réserve, une fois que le gazogène a pris le relais. Les moments d’activations du compresseur peuvent être choisis par la partie commande, notamment si elle reçoit des informations de la part de capteurs tels que la sonde lambda que nous évoquerons dans la partie injection. Ainsi, il est possible de sélectionner une certaine qualité de gaz, utile à l’autonomie et au bon fonctionnement du moteur lors de la phase de démarrage.
  • 11. Réserve « longue échéance » : constituée, par exemple, d’une ancienne bouteille de propane, c’est elle qui permet de stocker une partie du gaz, dédié au démarrage instantané du véhicule.
  • 12. Capteur de pression : ce capteur de pression est un instrument utile au fonctionnement, il permet notamment d’avoir une idée du niveau de tirage du foyer. C’est à dire que s’il mesure une dépression trop élevée, on peut présupposer une obstruction trop forte du foyer. Au contraire, si la dépression est trop faible, cela peut témoigner d’une défaillance en alimentation en combustible du foyer.
  • 13. Compresseur volumétrique : basé sur un compresseur à lobes ou à vis de suralimentation dont l’usage est détourné, c’est lui qui pré-comprime légèrement le gaz, cassant ainsi le lien direct entre le moteur du véhicule et la production du gaz. Il est facile de trouver ce type de compresseur en occasion. Il doit être actionné mécaniquement par le moteur du véhicule. La pression qu’il doit fournir doit être supérieure à la pression de suralimentation en air du moteur. En effet, le gaz devra pouvoir être injecté et mélangé à l’air d’admission, lui même sous pression.
  • 14. Bypass : il permet tout simplement de réguler la pression fournie par le compresseur qui est de type volumétrique. S’il s’agissait d’un compresseur centrifuge, alors le bypass ne serait pas nécessaire.
  • 14.1 Vanne de bypass : c’est la vanne qui met en communication la sortie du compresseur à son entrée.
  • 14.2 Vanne sortie compresseur : c’est cette vanne qui injecte le gaz au réservoir courte échéance.
  • 15. Actionneur « allumage en marche » : il permet d’actionner les vannes 15.1 et 15.2 qui permettent de dévier le flux de gaz vers la torchère d’allumage, en traversant directement la turbine 20.
  • 15.1 Vanne d’isolement: elle empêche un flux de gaz parasite de traverser les différentes réserves pendant la phase d’allumage.
  • 15.2 Vanne d’isolement: elle envoie directement la sortie du compresseur volumétrique vers la turbine centrifuge.
  • 16. Clapet anti retour : il empêche notamment le reflux de gaz lors de la phase d’utilisation du réservoir de démarrage.
  • 17. Réserve courte échéance : élément central du système, c’est la réserve qui permet la création d’un « gaz moyen » ainsi que l’alimentation régulière du moteur, avec l’aide du régulateur de pression 20.
  • 18. Capteur de pression : utile au système de commande et au expérimentations, notamment pour le développement de l’algorithme de régulation de l’injection de gaz, il transmet la valeur de pression du réservoir courte échéance à la partie commande.
  • 19. Actionneur « premier allumage » : actionneur de la vanne 19.1.
  • 19.1 Vanne de communication : elle permet, lors du premier allumage, à la turbine centrifuge d’aspirer le gaz au travers de son parcours complet, en purgeant ainsi tous les dispositifs traversés, réservoir courte échéance compris.
  • 20. Turbine centrifuge d’allumage : elle permet l’allumage du gazogène lorsque le réservoir longue échéance a été purgé et ne contient donc plus assez de gaz pour démarrer le moteur. Dans un tel cas, il faut attendre le temps de chauffe du gazogène pour démarrer le moteur du véhicule.
  • 21. Régulateur de pression : mécanique, ce régulateur pilote le bypass du compresseur volumétrique afin de maintenir une pression constante dans le réservoir courte échéance.

2. Partie injection

2.1 Partie injection, nomenclature explicative

  • Partie en cours de rédaction.

Système hybride : chaudière à condensation – pompe à chaleur.

Introduction

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.

Compresseur lent pour fonctionnement continu.

Dans le cadre d’un stockage d’énergie à petite échelle, il peut être intéressant d’utiliser l’air comprimé. Les ingénieurs et autres techniciens crieront au scandale en insistant sur le mauvais rendement de cette technologie. Encore une fois, il convient de comprendre qu’il existe des contextes dans lesquels le système ci-proposé peut convenir. Par ailleurs nous préconisons l’utilisation de l’énergie thermique générée par la compression de l’air, pour préchauffer l’eau chaude sanitaire ou contribuer au chauffage d’une habitation.

Le contexte approprié pourrait être, entre autres, celui d’un surplus d’énergie produit par une installation solaire ou encore celui d’une petite turbine hydraulique ayant un fonctionnement continu. L’air comprimé peut notamment servir à alimenter des outils pneumatiques.

Schéma

Nomenclature explicative

  • 1. Admission d’air : l’arrivée d’air doit au moins être filtrée, mais nous ne pouvons que recommander un traitement de l’air avancé comme nous le suggérons dans l’article sur le sécheur d’air. Nous recommandons cependant l’ajout d’un lubrificateur à ce système. En effet, le vérin 9 utilisé n’est pas initialement prévu pour être un compresseur et doit être lubrifié. L’huile serait ensuite récupérée en fond de cuve ou dans un décanteur dédié se situant entre la sortie 14 et la cuve. Pour ne pas construire inutilement plusieurs sécheurs d’air, nous recommandons de créer un bypass entre le sécheur d’air du compresseur alimentant l’entrée 11 et le compresseur lent. Pour désactiver le compresseur lent lors de l’utilisation du compresseur standard, l’ouverture de la vanne 7 est nécessaire ainsi qu’une mise à l’air libre de l’admission via un filtre. Ces options ne sont pas représentées sur le schéma.
  • 2. Clapet anti-retour : il permet l’admission de l’air dans la chambre du vérin contenant la tige. On y admet de l’air afin de refroidir l’alésage de la tige et le corps du vérin. Cet air est ensuite réinjecté dans l’autre chambre, celle qui remplit la fonction de compression finale. Ainsi nous forçons les calories à retourner tant que possible dans l’air refoulé.
  • 3. Clapet anti-retour : il permet le refoulement de l’air de refroidissement de la tige dans la chambre utile.
  • 4. Clapet anti-retour : il permet l’admission de l’air dans la chambre utile.
  • 5. Vérin/pompe/compresseur : vérin pneumatique ou équivalent.
  • 6. Transmission : il s’agit de la source d’énergie mécanique primaire utilisée pour comprimer l’air. Il peut s’agir d’énergie éolienne, hydraulique, ou issue d’un moteur Stirling. Libre place à l’imagination : tout dépend du contexte et des objectifs.
  • 7. Vanne : elle permet de « débrayer » pneumatiquement le système. S’il s’agit d’une électrovanne, cela peut s’inscrire dans le cadre d’une gestion automatisée. Nous conseillons tant que possible, lorsqu’il s’agit de systèmes de traitement d’énergies, d’utiliser des électrovannes bistables capables de se passer de l’alimentation permanente d’une bobine électrique, ceci afin d’augmenter la durabilité du système ainsi que sa consommation d’énergie.
  • 8. Clapet anti-retour : refoulement du compresseur lent .
  • 9. Échangeur thermique : il permet la récupération de la chaleur perdue lors de la compression de l’air. Elle peut, par exemple, être utilisée pour préchauffer de l’eau chaude sanitaire.
  • 10. Clapet anti-retour : c’est le clapet de refoulement du compresseur alimentant l’entrée 11.
  • 11. Arrivée pilotée : il s’agit du raccordement du refoulement d’un compresseur standard d’atelier par exemple .
  • 12. Perte de charge : semblable à un détendeur, elle permet, lorsque l’on priorise la production de chaleur, d’obtenir une pression quasiment constante au refoulement, dépendant peu de l’état de la réserve.
  • 13. Vanne : elle permet de bypasser la perte de charge, laissant ainsi le choix entre priorisation de la production de chaleur ou d’air comprimé. Encore une fois, il peut s’agir d’une électrovanne pilotée par une intelligence de commande.
  • 14. Raccordement au réservoir d’air comprimé.
  • 15. Limiteur de pression : cette soupape de sécurité est un accessoire obligatoire.

Poste de travail de restauration de batteries acide-plomb.

Introduction

Dans l’article sur le tout ou rien, nous avions vu qu’il existait différentes méthodes pour tenter de restaurer les batteries au plomb. Nous proposons, ne faisant ainsi pas de « tout ou rien », une méthodologie qui utilise, sans démontage avancé de la batterie, simultanément :

  • La désulfatation électronique qui envoie des impulsions à la fréquence de résonance du sulfate de plomb supposées aider plus efficacement qu’une recharge normale, au retour du soufre dans la solution d’électrolyte sous forme ionique.
  • La désulfatation chimique qui utilise un détergent pour retirer le sulfate de plomb des électrodes.
  • La désulfatation mécanique qui par des remous de jets d’eau sous pression lavent les électrodes en retirant les agglomérats de sulfate de plomb. Notez que dans certains pays, les batteries au plomb sont réparées par démontage complet et brossage manuel ou remplacement des électrodes. Cela pose des questions d’hygiène et de sécurité liées à la manipulation du plomb.

Veuillez noter que, la sulfatation des électrodes fait partie du fonctionnement normal d’une batterie acide-plomb. C’est lorsque la présence de sulfate de plomb sur les électrodes est trop importante que la résistance interne de la batterie ne permet plus la circulation d’un courant susceptible de relancer le processus de charge (réduction sur la cathode, oxydation sur l’anode).

Un élément de batterie démonté. A gauche, les plaques de bioxyde de plomb sulfatées, le sulfate de plomb est le précipité blanc, bien visible, il peut se retirer par brossage manuel. Au milieu les plaques de plomb légèrement délitées au niveau de leur connexion, mais réutilisables. A droite, les entretoises en matériau souple qui, repliées, recouvraient les plaques de bioxyde de plomb. Ces intercalaires imperméables aux liquides soudés sur trois de leurs côtés constituent un cauchemar pour la restauration, car elles empêchent la solution d’EDTA d’atteindre le sulfate de plomb facilement.

Ainsi la batterie ne fonctionne plus. Vous conclurez donc que, non seulement il ne faut jamais ajouter d’acide dans une batterie sulfatée, ce qui aurait pour conséquence de la saturer davantage en soufre, et que la première chose à tenter pour réparer une batterie n’est autre qu’une charge prolongée. La charge est en elle même le premier procédé de désulfatation.

Le procédé et son matériel associé

Schéma

  • Poste n°1 : La toute première action à tenter pour réparer une batterie est une charge prolongée. Avant de tenter une recharge, il faut s’assurer que le niveau d’eau dans les compartiments est suffisant. Si la batterie n’est pas munie de bouchons dévissables, il faudra desceller le ou les couvercle(s) afin d’accéder aux compartiments. Après avoir fait l’appoint avec de l’eau distillée exclusivement, une première tentative de charge longue est possible (une journée par exemple). Certaines batteries hors d’usage ont une résistance interne tellement élevée qu’elle ne permet même pas le démarrage du processus de recharge. Dans ce cas, une autre tentative est recommandée avant de poursuivre le processus. En ajoutant une solution de sulfate de magnésium heptahydraté (quantités à étudier) dans les compartiments, puis en secouant la batterie, la résistance interne peut diminuer suffisamment de telle sorte qu’un début de recharge est possible. Dans ce cas, il faut effectivement réaliser la tentative de recharge longue avant de poursuivre le processus. Pour les batterie totalement sulfatée, ce procédé reste malheureusement sans effets.
  • Poste n°2 : Ce poste est physiquement constitué d’un bac de rétention pour futs industriels, résistant à l’acide sulfurique. Il permet de retourner directement les batteries en provenance du poste 1 (avec succès ou échec de la recharge longue) pour la vidanger. S’il est assez grand il pourra recueillir l’acide de plusieurs batteries. Il convient ensuite de récupérer cette solution puis de la filtrer à 20 microns (à l’aide d’un filtre en nylon). Elle sera réutilisée au poste 5 en corrigeant son taux d’acidité.
  • Poste n°3 : A ce poste, les compartiments des batteries vides en provenance du poste 2 sont remplies avec une solution d’E.D.T.A. tétrasodique (à ne pas confondre avec l’E.D.T.A.). Il va se produire une réaction générant de la mousse, il convient de laisser la solution jusqu’à l’arrêt de l’effervescence. Le sulfate de plomb est dissout par le détergent. Vous remarquerez qu’en cas de sulfatation très prononcée, la dissolution du sulfate de plomb peut désagréger les électrodes et la batterie serait alors définitivement hors d’usage à moins de la reconstruire par démontage, ce qui n’est pas l’objet du procédé proposé. Ce poste n’est pas qu’un support avec un bac de rétention, il comporte aussi des injecteurs de nettoyage par remous. Lorsque deux batteries ou plus sont remplies de détergent, deux autres dont la réaction s’est arrêtée peuvent être lavées mécaniquement.
Schéma du poste n°3
1. Pompe (pompe de lave-vaisselle par exemple, résistante à l'acide)
2. Rampes d'injecteurs
3. Supports des batteries
4. Bac en plastique
5. Bac de rétention
6. Passe-cloison en plastique (résistant à l'acide sulfurique)
7. Bac de décantation et de séparation des résidus par centrifugation
8. Filtre (résistant à l'acide)
  • Poste n°4 : Ce poste est presque le même que le poste 3, si ce n’est que le circuit de pompage est ouvert et que le rinçage se fait en temps limité. Il est peut être possible d’utiliser de l’eau de pluie scrupuleusement filtrée pour remplacer l’eau distillée relativement coûteuse.
  • Poste n°5 : Ici, les batteries sont remplies de nouveau avec l’électrolyte filtrée récupérée au poste 2. Il est recommandé d’utiliser une solution d’acide au degré inférieur à celui recommandé. Ce degré se déduit de la densité, mesurable avec un pèse acide (l’eau a une densité de 1kg/l). En effet, si du sulfate de plomb encombre encore les électrodes, le soufre qui le compose migrera de nouveau sous forme ionique dans l’électrolyte, ce n’est qu’après avoir rechargé une première fois la batterie que la densité pourra être corrigée (batterie chargée) pour atteindre environ 1.25 kg/l, après l’avoir secouée. Il faut également veiller à ce que le niveau d’électrolyte soit à son niveau normal. Si la densité est anormalement élevée après recharge, c’est sans doute que la batterie était encore partiellement sulfatée et que la recharge a retourné du soufre dans l’électrolyte. Dans ce cas, il faut retirer une partie de l’acide, corriger le niveau à l’eau distillée et poursuivre la charge. Il convient de réitérer cette opération tant que le phénomène est perceptible. Lorsqu’il n’y a plus d’évolution, vous pourrez corriger définitivement, batterie chargée, la quantité d’acide.

Conclusion

Si malgré ce processus une batterie refuse de se recharger, ne serait-ce qu’un peu, vous pouvez la considérer comme irrécupérable au regard des capacités de ce système. Si toutefois la batterie semble commencer à se désulfater, que du courant accepte d’y entrer avec une tension supérieure à 10.8v, alors vous pourrez tenter de réitérer l’opération du poste 1 seule, qui peut suffire, ou bien l’intégralité du procédé.

Récupérateur de chaleur pour eaux usées.

Introduction

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.

Source d’eau automatique à accumulation, vanne en bas.

La source d’eau intermittente présentée dans l’article précédent atteint ses limites lorsque l’utilisation de l’eau est située à plus de 10 mètres en contrebas. En effet, si l’on ferme la vanne située en haut dans ces conditions, on obtient une dépression de 1 bar environ. Une fermeture d’une vanne en haut d’une colonne d’eau provoque la cavitation et peut détériorer les conduites.

Cette version « vanne en bas » est plus complexe. Elle utilise en effet deux fois le système de la version simple, mais permet d’étendre le champ d’application d’une source intermittente.

Schéma

Fonctionnement

Lorsque la source 1 a rempli le réservoir 2 jusqu’au trop-plein 3, il remplit à son tour le seau 16 provoquant l’ouverture de la vanne 23 et la fermeture de la vanne 22. En se fermant, la vanne 22 autorise le prochain remplissage du seau 15. La vanne 23 est ouverte et alimente l’utilisateur 26. Lorsque le niveau du réservoir 2 atteint le flotteur 12, il ouvre la vanne 13. Cette dernière remplit le seau 15 de la quantité contenue dans le volume réservé 4. La prise d’air 14 permet d’éviter la cavitation et la vidange totale du volume injecté dans la conduite. Cela provoque l’ouverture de la vanne 21 et donc la vidange du seau 16. Le contrepoids 18 ouvre alors la vanne 22 et ferme la vanne 23. La vanne 22, en s’ouvrant, provoque la vidange du seau 15. Une fois vide, il autorise le contrepoids 17 à refermer la vanne 21, autorisant le remplissage du seau 16 au prochain trop-plein.

Chronogramme logique du cycle (approximation des courbes par des pentes)

Vous aurez sans doute remarqué une interaction paradoxale entre les vannes 21 et 22. Pour être certain d’avoir parcouru la course totale des leviers des vannes 22 et 23, il faut veiller à respecter les dispositions géométriques mentionnées ci-dessous. Nous pouvons aussi faire en sorte que, la sortie 25 soit légèrement rétreinte, afin de ralentir la vidange du seau 15. Il convient notamment que le seau 15 recueille initialement une quantité d’eau supérieure au volume strictement nécessaire à la compensation du contrepoids. Associé à la rétreinte de la sortie 25 évoquée plus haut, nous augmentons donc le temps d’ouverture de la vanne 21. La sortie 24 doit rester libre pour faciliter la vidange rapide du seau 16.

Fermeture et ouverture des vannes

En respectant la configuration suggérée ci-dessus, nous nous assurons de l’ouverture franche des vannes. Pour que le mouvement débute, il faut que le moment Fp x R soit supérieur au couple résistant Cr. C’est toujours le cas à partir de l’instant où le mouvement a débuté. En effet, sur la course C1, cette quantité ne fait que croître. Sur la course C2, elle diminue et la masse du contrepoids ou du seau qui génère la force F n’est pas censée varier suffisamment pour arrêter le mouvement. Dans le cas du seau 15, les préconisations évoquées plus haut permettent d’empêcher la variation trop rapide de la masse. De plus, lors de la course C1, les masses ont acquis de l’énergie cinétique qui facilite le franchissement de la course C2. Lorsque les seaux sont vides, la masse ne varie plus.

Nous pouvons présupposer que si le mouvement des vannes 22 et 23 débute, il s’achève aussitôt. La rétreinte de la sortie 25 et l’excédent de masse dans le seau 15 constitueraient des options garantissant au besoin le mouvement complet des vannes 22 et 23. La vanne 22 pourrait être facultative si le seau 15 était légèrement fuyard. Cependant, l’utilisation d’une fontaine intermittente est prévue dans le cas où l’eau est précieuse car le débit de la source primaire est insuffisant pour une utilisation directe. Nous privilégierons donc l’économie d’eau en minimisant la quantité utile du seau 15.

Source d’eau automatique à accumulation.

Ce système permet d’obtenir, par intermittence, un débit d’eau élevé à partir d’une source de faible débit. C’est le principe de la chasse d’eau, si ce n’est que le déclenchement de la vidange se fait automatiquement lorsque le réservoir est plein. Cela peut être utile dans le cas où vous voudriez faire fonctionner une fontaine ou un moteur hydraulique à partir d’une source de tout petit débit.

Nous pourrions être tenté d’utiliser le principe naturel d’une Fontaine intermittente. Toutefois, dans ce cas, de l’air rentre dans la conduite de sortie, ce qui ne convient pas à toutes les applications. Le système proposé dans cet article permet d’éviter l’entrée d’air dans la conduite, moyennant un processus mécanique un peu plus complexe que celui d’un siphon.

Le dispositif proposé est autonome et n’emploie aucun composant, ni électronique ni électrique.

Schéma

Fonctionnement

Au vu de la logique de fonctionnement, nous n’utiliserons pas de nomenclature explicative mais une description du déroulement d’un cycle mentionnant les différents composants impliqués au fur et à mesure.

L’eau de la source primaire arrive par la conduite 1 et remplit le réservoir 12. Dans ce cas, le flotteur 9 maintient le levier 10 levé qui maintient lui même la vanne 12 fermée. Lorsque l’eau atteint le trop-plein 2, le seau 3 se remplit ainsi que la conduite souple 11, la vanne 12 étant toujours fermée. Lorsque le seau 3 devient plus lourd que contrepoids 5, il actionne la tige 6, qui tire sur le levier 7. Ce dernier ouvre ainsi la vanne 8 qui alimente la conduite 13 reliée au récepteur (fontaine, turbine, etc.)

À ce stade, le niveau dans le réservoir 12 diminue.

Lorsque le niveau d’eau atteint le flotteur 9, le levier 10, sous son propre poids, descend en ouvrant la vanne 12 (l’ensemble 9;10;12 peut être constitué d’un robinet flotteur de chasse d’eau). Il en résulte la vidange du seau 3 et de la conduite souple 11. Le seau 3 devient plus léger que le lest 5 qui pousse alors la tige 6 et le levier 7, fermant ainsi la vanne 8.

Le cycle recommence indéfiniment de manière autonome. Le composant repéré 4 est une poulie.

Ci-dessous, deux curiosités :

  • Un système similaire qui utilise, à la place du seau 3, un réservoir fuyard, évoqué dans l’article sur la version 2 de la source intermittente.
  • Un autre système similaire, qui utilise, à la place du seau 3, un réservoir en vase communiquant avec le réservoir 12. Ceci est possible lorsque le réservoir principal, ici la bassine, est « à l’échelle » du vase communiquant. Cela peut être judicieux si le tuyau qui relie ce petit réservoir à la bassine assure qu’il n’est pas capable de déborder pendant le temps de la décharge complète. Dans ce cas, le temps de décharge conditionne le débordement du petit vase durant son maintien en position basse.

Avec un temps de décharge court et une augmentation d’échelle :