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
Filtre à air : il peut avantageusement être précédé d’un sécheur d’air.
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.
Clapets anti retour d’admission.
Clapets anti retour de refoulement.
Compresseurs d’air : ils peuvent être réalisés avec des vérins pneumatiques.
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.
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.
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.
Détecteur de pression seuil n°2 : il active le dernier vérin moteur disponible.
Vannes d’alimentation des vérins moteurs 12 : ils correspondent au seuil n°1 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 8.
Vannes d’alimentation des vérins moteurs 13 : ils correspondent au seuil n°2 et sont activés par les détecteurs de pression de seuil 9.
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.
Vérins moteurs de seuil n°2.
Vérins moteurs principaux : ils sont en liaison permanente avec le guidage linéaire et donc avec les vérins compresseurs.
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.
Vannes d’échappement : elles libèrent l’eau motrice vers le réservoir ou le dégazeur de radon.
Vannes d’admission : elles alimentent les vérins moteurs avec la pression du réseau d’eau courante.
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.
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.
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.
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.
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.
Sablage, grenaillage et microbillage sont des procédés qui consistent à propulser sur un objet à décaper, par l’intermédiaire d’un fluide en mouvement, un « média » de décapage qui peut être du sable, de la grenaille métallique ou des billes de verre. Ce procédé s’utilise aussi pour créer un état de surface granuleux sur des pièces de matériaux divers, pour opacifier le verre par exemple. Le grenaillage permet aussi l’écrouissage des surfaces métalliques.
Le schéma ci-dessous résume les différents procédés les plus répandus. Dans les procédés de sablage on peut parfois injecter de l’eau dans le pistolet pour éviter la formation de nuages de poussière. Si le sablage est pratiqué en cabine, la récupération et le recyclage du média sont possibles.
Solution proposée : la sableuse hybride.
Nous proposons un procédé qui mélange plusieurs concepts existant déjà dans les systèmes de sablage présentés dans l’introduction. Il élimine un problème récurrent : l’humidité du sable. À l’exception du microbillage où le sable est maintenu en suspension dans l’eau, tous les autres procédés ont besoin que le sable soit parfaitement sec. En effet, humide, il obstrue les conduits : c’est pour cette raison que l’on retrouve souvent une vanne montée en by-pass pour faciliter le débourrage du tuyau de sable.
Le système que nous proposons est similaire à la sableuse « pression », mais ce n’est plus de l’air qui pressurise le réservoir de sable, c’est de l’eau ! L’eau sous pression a pour conséquence de fluidiser le sable en circulant entre les grains. Le sable n’obstrue jamais le tuyau : maintenu humide, il n’y a donc plus à se soucier de la qualité de son séchage.
Il faut toutefois noter que, comme pour le microbillage, l’eau injectée est projetée sur la pièce à décaper, et cela constitue une dépense d’énergie supplémentaire. En général, la sableuse à sable sec est la plus efficace pour décaper, et c’est le microbillage qui permet d’obtenir le plus bel état de surface. L’eau projetée ajoute cependant une fonction de nettoyage/dégraissage.
Schéma de principe
Avec ce procédé, la récupération du sable, pour une utilisation en cabine, nécessite une seconde cuve. Le procédé de la sableuse à pression est donc moins souvent utilisé avec une cabine, c’est le procédé venturi type 2 qui est le plus souvent associé aux cabines. La seconde cuve récupère le mélange de sable et d’eau pendant que l’on utilise la première, maintenue sous pression.
Schéma détaillé
Nomenclature explicative
1. Réservoirs pressurisables : ils doivent résister à la pression d’eau et être étanches. Il est possible de les réaliser en PVC pression ou d’évacuation à condition que ce dernier soit armé. Du ruban adhésif armé permet de renforcer considérablement le PVC d’évacuation. En dépit de son aspect « bricolage » au sens péjoratif, cette solution est fiable et peu coûteuse.
2. Tuyaux filtrants : ce sont des tubes PVC perforés de petits trous et dans lesquels une chaussette en intissé joue le rôle de filtre, permettant la séparation de l’eau et du sable.
3. Partie non perforée : il s’agit d’une zone du tuyau 2 qui n’est pas perforée, elle préserve ainsi une certaine hauteur de sable autour de laquelle l’eau ne peut pas s’infiltrer, garantissant ainsi que du sable soit entraîné par l’eau sans discontinuité dans la conduite allant au pistolet de sablage.
4. Couvercle étanche avec raccord d’alimentation : ce couvercle est muni d’une traversée de cloison et d’un raccord rapide pour la connexion du tuyau en provenance de la pompe. Il s’intervertit entre les cuves 1 selon leur phase d’utilisation.
5.Couvercle avec raccord d’évacuation : ce couvercle supporte un tube d’évacuation en PVC et permet d’y raccorder la pipe d’évacuation souple 7, il est dans l’idéal muni d’une prise d’air.
6. Tuyau souple : tuyau en provenance de la pompe et muni d’un raccord rapide pour sa connexion au couvercle 4.
7. Pipe d’évacuation souple : elle permet de diriger facilement le retour du mélange d’eau et de sable en provenance du fond de la cabine de sablage vers le réservoir en phase de récupération.
8. Vanne de récupération d’eau : elle doit être fermée sur le réservoir en cours d’utilisation et ouverte sur le réservoir en phase de récupération.
9. Vanne de départ sable : elle doit être ouverte sur le réservoir en cours d’utilisation et fermée sur le réservoir en phase de récupération.
Pistolet de sablage adapté
Nomenclature explicative
1. Buse : réalisée avec un mamelon de plomberie en acier ou en acier inoxydable, il est fortement recommandé d’y ajouter un revêtement céramique pour augmenter sa résistance à l’abrasion.
2. Réducteur : sa conicité permet de créer la configuration venturi.
3. Té 45°.
4. Tube injecteur d’air.
5. Bouchon percé : le trou au centre permet de braser ou de souder (selon les matériaux utilisés) le tube injecteur 4.
6. Adaptateur réducteur.
7. vanne d’air.
8. Ressort de rappel.
9. Gâchette : elle peut être réalisée avec un levier de décompresseur de mobylette, par exemple.
10. Câble de transmission.
11. Raccord hydraulique : connexion du tuyau de sable et d’eau.
12. Raccord pneumatique : connexion du tuyau d’air comprimé.
Conclusion
Nous avions déjà évoqué la concaténation de certaines solutions dans l’article sur le tout ou rien. Mais ici, il est aussi nécessaire de connaître le procédé de fluidisation d’un matériau pulvérulent, issu d’une culture technologique d’une part et d’un sens pratique de la quantification des phénomènes d’autre part. C’est à dire qu’il faut avoir expérimenté suffisamment de « bricolages » ou de systèmes technologiques industriels pour pressentir que, maintenu sous pression d’eau, le sable ne colmatera pas un tuyau d’un diamètre de 15 ou 20 mm. La dépression induite par le pistolet venturi reste néanmoins nécessaire à la sortie rapide du sable.
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.
La roue à eau à admission intérieure appartient à la famille des roues à énergie potentielle. C’est à dire que c’est le poids de l’eau et non son énergie cinétique qui est principalement utilisé dans ce cas. Nous précisons « principalement », parce que dans presque toutes les roues, l’eau n’agit jamais que par son poids ou sa vitesse, c’est toujours une combinaison de ces deux phénomènes, puisqu’il ne peut y avoir de débit sans vitesse.
Avant d’entrer dans le vif du sujet, nous tenons à préciser que nous n’avons rencontré la description d’une telle roue que dans un seul ouvrage ancien :
MANUEL DE L’OUVRIER MÉCANICIEN– HUITIÈME PARTIE – HYDRAULIQUE- ROUES-TURBINES-POMPESN°101 BIBLIOTHÈQUE DES ACTUALITÉS INDUSTRIELLES
par Georges FRANCHE
Cet ouvrage a été ré-édité par des programmes de conservation, l’original date de janvier 1903. Il est donc à priori toujours possible de se le procurer. Si, cher lecteur, vous avez connaissance d’autres documents mentionnant ce type de moteur hydraulique, nous vous serions reconnaissants de nous en informer via le formulaire de contact.
Extraits
Décontextualisation nécessaire !
Bien sûr, avant de nous attaquer à un sujet nommé, tel que celui de la roue à admission intérieure, décrite dans un ouvrage plus que centenaire, une décontextualisation s’impose. C’est à dire que nous n’allons pas prendre pour argent comptant ce qui est écrit, mais nous allons le considérer en réfléchissant avec la plus grande attention au contexte dans lequel ces mots ont été écrits. Nous devons considérer les connaissances globales de l’époque, les techniques pratiquées à l’époque, les objectifs de l’auteur mais aussi des lecteurs de l’époque, etc.
Qui était Georges Franches ?
L’auteur de l’ouvrage ci-mentionné, Georges Franches, était ingénieur mécanicien, des Arts & Métiers et de l’école Centrale des Arts et Manufactures (École Centrale de Paris) et agent technique de l’Office National de la Propriété Industrielle. Nous avons affaire à un auteur d’un niveau théorique élevé en sciences, lequel est aussi en lien avec le domaine des idées de par sa fonction à l’O.N.P.I. Il est donc probable que quelque innovation subtile en mécanique n’aurait pu lui être suffisamment distante pour qu’il n’en n’eut pas écho.
Roues et turbines avant 1900
Ce n’est « qu’en » 1824 que Jean Victor Poncelet théorise pour la première fois une innovation majeure dans le domaine des moteurs hydrauliques en inventant la roue qui porte désormais son nom. La théorisation des machines hydrauliques prenant en compte les nouvelles connaissances en physique et mathématiques venait de commencer. Arthur Morin, lui, théorisait presque en parallèle de Poncelet, les traditionnelles roues à aubes planes. Tous ces travaux précèdent de près, ceux de Claude Burdin qui installe une turbine à axe vertical en 1825.
Il faut dire que le mécanicien Bernard Forest de Bélidor (né en 1698, 90 ans avant Poncelet), qui était contemporain de la machine de Marly, aurait évoqué dans certains de ses écrits d’éventuelles aubes courbes destinées aux roues dites « en dessous » mais en n’y accordant hélas pas plus d’intérêt.
Les théorisations des anciennes machines conventionnelles (les roues) avaient démarré tardivement, en ce qu’elles étaient déjà obsolètes par les travaux de Burdin et de son élève de l’école des mines de Saint-Etienne, Benoit Fourneyron. Ce dernier déposa un brevet en 1832 sur une turbine qui porte son nom. Cela rendit à priori Burdin Jaloux, lequel était le « véritable inventeur » de la théorie appliquée de la turbine. En effet, n’est-ce pas le mathématicien suisse Leonhard Euler le véritable inventeur de la théorie même des turbines ? L’élève ayant dépassé le maître, Burdin reçut néanmoins un lot de consolation lors d’un concours en guise de reconnaissance pour ses travaux.
À l’antiquité, et qui sait, peut être même avant, les moteurs hydrauliques étaient utilisés pour les moulins. Les turbines aussi, primitives, en bois, similaires aux moulins à rodets existaient déjà au moyen age. Il n’est donc pas évident de considérer, par exemple, que Lester Allan Pelton est le véritable inventeur de la turbine à action (à énergie cinétique), bien qu’il soit l’inventeur de la version poussée à son paroxysme.
Une roue méconnue et oubliée
Tout cela nous mènerait à penser que, un type de roue constituant une amélioration des versions habituelles, apparu tardivement, à une époque où la communication n’était pas aussi rapide qu’aujourd’hui, put effectivement passer presque inaperçu. Son obsolescence immédiate n’ayant pas permis sa diffusion. Il y a peut être une forme d’ironie dans le fait que Georges Franches nous présente la roue à admission intérieure d’une manière tout à fait naturelle. Cette ironie démontrerait en réalité la connaissance scientifique de l’auteur et son approche très neutre du procédé dont il n’y a raisonnablement pas de raison de douter. Cette forme d’ironie, si elle était intentionnelle, (rien n’est moins sûr : nous ne nous permettons pas de prétendre savoir mieux que l’auteur ce qu’il pensait lui même) ressemblerait un peu à ce qui se passerait si nous n’avions que la rubrique « applications » de ce site, sans aucune explication.
Nous ne savons pas non plus quand ni par qui cette théorie de la roue à admission intérieure est apparue, si vous avez des informations à ce sujet, contactez nous.
Anecdote du rédacteur
Bien avant d’avoir connaissance de l’existence d’une description d’un tel moteur hydraulique, je trouvais dommage que les augets de la roue en dessus se soient partiellement vidés avant d’avoir atteint leur position la plus basse. Cela constitue une perte d’énergie potentielle. Notez que je parle de « l’existence d’une description » et non pas de « l’existence » tout court, parce qu’une invention n’est jamais que la découverte d’une possibilité.
Ainsi, j’avais commencé à étudier quelques concepts d’augets, remplis par leur côté, inspiré par certaines roues d’irrigation. Mais j’ai finalement eu rapidement sous les yeux l’ouvrage de Georges Franche avant de finir mes tracés. Aurais-je fini par inverser totalement l’entrée de l’eau à l’intérieur de la roue ?… En tous cas, ce qui compte, c’est que je n’ai jamais pensé, à aucun moment « une meilleure roue à augets, ça n’existe pas, sinon les grands hommes d’avant moi l’auraient déjà dessinée ».
C’était pourtant le cas, pour cette fois, avec la roue à admission intérieure. Mais n’ayant pas évoqué, dans mon esprit, une sorte d’infériorité, et de manque de confiance m’interdisant de réfléchir à une amélioration, j’aurais sans doute fini par la réinventer (ou un équivalent). Car il faut bien dire, qu’on joue dans ce cas sur une problématique de mécanique spatiale et géométrique très rudimentaire. C’est en fait un sujet relativement accessible au plus grand nombre.
Nous n’avons pas idée, que très souvent, même sur de grands sujets connus, très peu de choses ont été pensées. C’est l’histoire et le hasard qui rendent certaines idées prédominantes. Nous sommes tous capable d’innover, avec un C.A.P. , comme nous sommes tous capable d’être des plus paresseux et vaniteux avec des agrégations prestigieuses ou des diplômes de grandes écoles d’ingénieurs (inspiré de faits réels !).
Références et confiance
Nous ne remettons absolument pas en cause les talents et connaissances incontestables de l’auteur. Mais nous avons tout de même trouvé à critiquer, en partie parce que, comme ce que nous écrivons, et ce qu’écrivait Georges Franche, ce ne sont en aucun cas des vérités absolues, des paroles divines qui émaneraient du fait que nous nous positionnons comme auteur.
Les auteurs sont des êtres humains comme nous tous et le fait de publier des écrits sur quelque sujet que ce soit n’en fait pas forcément des vérités universelles. Cessez donc sans arrêt de vouloir des « sources », des « citations » ou des « références » qui ne peuvent en aucun cas être considérées comme des critères de valorisation des arguments et ne font qu’encourager notre paresse intellectuelle. Le manque de confiance en soi est trop souvent une excuse permettant de justifier sa paresse. Pensons par nous même, acquérons au besoin le savoir nécessaire pour faire nos propres analyses.
Il n’est pas interdit cependant de citer des travaux comme nous le faisons d’ailleurs nous même, mais seulement pour considérer leur contenu comme étant des hypothèses que nous faisons, ainsi que des suggestions de lectures. Il n’est en effet pas possible, pour une seule personne, de recalculer toute une thèse ou de recommencer à recueillir des montagnes d’informations sur certains sujets. Nous pouvons donc reconnaitre la valeur de certains travaux, après avoir précisément réfléchi par nous même à leur valeur. N’en déplaise à certains, l’effort intellectuel est inévitable car nécessaire.
Critique et améliorations
Que pourrions nous reprocher aux écrits de Georges Franche ? Peut être ceci :
« […]elle convient, enfin, à toutes les chutes, mais en particulier aux petits cours d’eau, en raison du porte-à-faux des couronnes sur les bras« .
Il ne nous parait pas acceptable de présenter un système technique, qui n’est presque jamais rien d’autre qu’une variante d’un concept plus général, de manière affirmative sous une autre forme qu’une proposition. Écrire ou dire par un schéma « une roue à admission intérieure (ou autre système), c’est comme ça, et ça a tel ou tel défaut », c’est beaucoup trop affirmatif et très souvent inexact.
Nous serions tenté de dire, qu’avec les matériaux de l’époque, c’eût été difficile de réaliser de grands moteurs de ce type. Mais cela ne demeure pas du tout convaincant, bien que les méthodes et matériaux composites modernes (rouleuses à commande numérique pour les augets, mécanosoudures et découpes laser diverses, etc.) rendent, de nos jours, plus facile la réalisation d’une roue à admission intérieure.
En plus de pouvoir supprimer le porte à faux évoqué par l’auteur, nous pouvons imaginer de nombreuses variantes ne changeant absolument rien au principe fondamental de la roue à admission intérieure et de ses avantages fort bien expliqués par Georges Franche. Ces variantes pourraient être utiles dans certaines configurations environnementales.
Propositions de variantes
Nous proposons quelques amélioration sous la forme de schémas synoptiques, en vue du dessus, contrairement au schéma de l’ouvrage, afin de faire apparaitre plus clairement les différentes configurations du coursier supérieur.
Proposition n°1 : arrivée d’eau sans demi-tour, avec ou sans porte à faux de la roue.
Nous précisons que George Franche évoquait le porte à faux de la couronne supportant les augets, mais sans avoir évoqué un éventuel porte à faux de la roue entière, effectivement non nécessaire, mais toujours possible si l’on souhaite abriter les paliers dans un unique bâtiment contenant le mécanisme de transmission tout en autorisant le coursier supérieur à prendre place à hauteur de l’axe. Le porte à faux de la couronne est clairement visible sur une vue du dessus, le porte à faux total de la roue peut se gérer par les paliers 1 et 2 et permet ainsi que le coursier supérieur ne soit pas gêné par l’axe de la roue. Pour autant, l’eau peut être admise en dessous ou au dessus de l’axe, moyennant un dimensionnement différent du diamètre de la roue. Ainsi, le coursier passerait en dessous ou au dessus de l’axe supporté par les paliers 2 et 3. Notez que ces dessins sont des schémas de principe et qu’il conviendrait d’apporter d’autres améliorations sur la forme du coursier, représenté trop anguleux, par exemple.
Proposition n°2 : arrivée d’eau sans demi-tour, sans porte à faux.
Dans cette configuration le porte à faux des couronnes est supprimé, du moins, il est symétrisé. L’admission sans demi tour permet, comme dans le cas précédent, de minimiser les pertes d’énergie cinétique. Dans ce cas sans porte à faux, l’axe traversant impose un dimensionnement en diamètre un peu différent afin de placer le coursier légèrement au dessus ou en dessous de l’axe. Si l’admission partielle liée à la division du coursier et du déversoir s’avère problématique (ce qui n’est pas certain dans le cas d’une roue à énergie potentielle, mais l’on cherchera tout de même à minimiser les chocs), alors les augets peuvent être cloisonnés en leur milieu ou distincts. Nous aurions ainsi deux roues en une, ce qui sous entend que nous pourrions choisir de gérer indépendamment l’alimentation des deux branches du coursier supérieur.
Proposition n°3 : arrivée d’eau avec demi-tour, sans porte à faux.
Nous pouvons dire qu’il s’agit de la version originale décrite par Georges Franche, améliorée par la suppression du porte à faux des augets.
Conclusion
Lors de la lecture d’un document, l’analyse contextuelle de celui-ci doit être systématique pour comprendre comment utiliser les informations qu’il est susceptible de fournir. Dans le cas de la roue à admission intérieure, cette analyse nous permet de comprendre globalement sa fréquente méconnaissance. De plus, nous ne devons jamais chercher à justifier notre paresse à l’analyse qui décourage la critique objective de nos lectures. Ici nous avons pu proposer des variantes éventuellement améliorées de la roue presque présentée comme « la meilleure » dans un ouvrage ancien. Nous vous serions reconnaissants de nous contacter dans le cas où vous auriez entendu parler de la roue à admission intérieure dans d’autres documents.
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.
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.
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.
Vous êtes vous déjà demandé ce que vous pourriez faire en cas d’incendie dans votre maison ? Si vous avez un extincteur, vous pouvez tenter de l’utiliser avant l’arrivée des pompier. Pour un incendie bien amorcé, un petit extincteur sera utilisé en vain.
Nous proposons d’utiliser la recontextualisation et les loisirs techniques pour gérer un système de lance à incendie très technique propulsant de la mousse de CO2. C’est un bon exemple de la fabrication d’un appareillage très efficace à relativement « haute technicité » dont l’accessibilité au particulier est le résultat de la recontextualisation.
Schéma
Nomenclature explicative
Jauge 1 : elle permet de surveiller le niveau d’eau dans le réservoir 2.
Réservoir pressurisé 2 : il contient l’eau et l’air comprimé, il est constitué d’un ou plusieurs ballons d’eau chaude sanitaire dont l’usage est détourné. Il peut donc être un appareil recyclé dont les résistances électriques (ne nous intéressant plus dans ce cas) sont fichues. Il convient toutefois d’utiliser un ballon d’une région où l’eau est peu calcaire, et dont l’état général est bon.
Vanne d’air 3 : cette vanne permet de purger le dispositif pour les maintenances éventuelles. Il est possible d’automatiser le maintien de la pression d’air via un port auxiliaire.
Vanne d’eau 4 : elle permet la vidange pour la maintenance et le remplissage d’eau du réservoir 2.
Pressostat 5 : il permet de surveiller la pression d’air dans le réservoir 2, en générant soit une alerte, soit une consigne de remise en pression. L’information qu’il génère peut être utilisée dans un système de sécurité permettant d’informer d’un défaut d’étanchéité, etc.
Réservoir d’agent moussant 6 : il contient un agent moussant. Par exemple du bain moussant acheté en supermarché.
Vanne réglable 7 : cette vanne réglable doit permettre de modifier le débit d’agent moussant.
Venturi 8 : il permet l’aspiration d’agent moussant et son mélange dans l’eau.
Bouteille de CO2 9 : c’est la réserve de CO2, elle peut être constituée de bouteilles consignées dédiées à la soudure comme de bouteilles à usage unique utilisées en aquaculture. Il faut être prudent quant à la localisation de cette réserve. En effet, une fuite peut générer un risque important d’asphyxie. Il convient d’équiper d’un détecteur de gaz le local où se situe la réserve.
Manodétendeur 10 : il régule la pression du CO2 qui alimente le venturi 12, la valeur de la pression ne doit jamais permettre le refoulement du CO2 dans l’eau. Selon le comportement du venturi 12, il sera peut être nécessaire d’asservir le manodétendeur selon la pression du réservoir 2. À confirmer par l’expérience.
Échangeur thermique 11 : cet échangeur thermique est constitué d’une spire de cuivre plongée dans un réservoir d’eau à température ambiante (12°C par exemple, dans une cave) et empêche la détente du CO2 de geler l’eau dans le venturi 12.
Venturi 12 : il permet de créer une dépression permettant l’injection de CO2 dans la conduite, bien que le détendeur 10 soit réglé à une pression inférieure à celle du réservoir 2.
Sortie 13 : elle alimente le réseau de lance à incendie, qui elles mêmes peuvent être réalisées à partir de matériels à usage détourné.
