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Principes de conception des
fourneaux de cuisine a bois
Aprovecho Research Center
Shell Foundation
Partnership for Clean Indoor Air
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Le Partenariat pour I'air interieur pur (Partnership for Clean Indoor Air, ou PCIA par son acronyme en
anglais) a ete etabli par I'agence de protection de I'environnement aux Etats-Unis (U.S. Environmental Protection
Agency ou EPA par son acronyme en anglais) ainsi que d'autres importants partenaires lors du Sommet Mondial
sur le Developpement Durable a Johannesburg en Septembre 2002. Son but est d'ameliorer la sante, la
subsistance et la qualite de vie tout en reduisant I'exposition a la pollution de I'air interieur preponderante entre
les femmes et les enfants du a la combustion de carburant dans les menages. Plus de 130 organisations
travaillent ensemble pour accroTtre I'emploi de pratiques de chauffage et de cuisine propres, fiables, rentables,
efficaces et sans danger visant a reduire I'exposition humaine a la pollution de I'air interieur dans les pays en
developpement. Pour de plus amples informations, ou pour devenir un membre du partenariat, veuillez visiter
www.PCIAonline.org.
Ce document a ete redige par Aprovecho Research Center a la faveur d'une subvention de Shell Foundation
pour fournir un appui technique aux projets d'energie et de sante menageres et de garantir que leurs
conceptions font valoir la meilleure pratique technique. Les auteurs principaux de cet opuscule comprennent: Dr.
Mark Bryden, Dean Still, Peter Scott, Geoff Hoffa, Damon Ogle, Rob Balis et Ken Goyer.
La pollution de I'air interieur pose des problemes de sante serieux pour les deux mil millions de personnes du
monde entier qui dependent des biocarburants traditionnels pour leurs besoins en matiere de cuisine et de
chauffage. Au cours des 30 dernieres annees, une plus grande prise de conscience s'est faite concernant le
danger environnemental et social que represente I'emploi des fourneaux et carburants traditionnels de meme
que les connaissances sur la reduction des ces emissions se sont approfondies. Toutefois, les fourneaux
ameliores qui sont actuellement disponibles aux clients plus pauvres ne font pas toujours preuve de la meilleure
pratique ou d'une conception sensible a I'ingenierie moderne. Les connaissances qu'exige la conception de
fourneaux a combustion propre existent aupres de centres de perfectionnement dans plusieurs endroits du
monde. Ces renseignements sont une premiere etape indispensable aux personnes chargees de promouvoir des
fourneaux ameliores visant a reduire combien les utilisateurs sont exposes a la pollution de I'air interieur.
Aprovecho est un centre de recherche, d'experimentation et de formation en matiere de technologies de
remplacement qui sont compatibles avec l'environnement et tiennent compte des differences culturelles. Le
laboratoire d'Etudes Avancees en Technologie Appropriee (Advanced Studies in Appropriate Technology)
d'Aprovecho vise a developper des technologies d'efficacite energique, sans effets polluants et renouvelables
qui tiennent compte de la recherche actuelle mais dont la conception permet la fabrication dans presque tous les
pays. Le centre occupe une tres belle propriete fonciere de 40 acres pres de la ville d'Eugene dans I'etat
d'Oregon. Pour de plus amples informations sur Aprovecho, veuillez visiter le site www.Aprovecho.net.
(lustrations: Mike Van, Jayme Vineyard et Ethan Hughes
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Principes de conception des
fourneaux de cuisine a bois
Dr. Mark Bryden, Dean Still, Peter Scott, Geoff Hoffa, Damon Ogle,
Rob Bailis et Ken Goyer
Sommaire
Introduction 5-6
Chapitre 1 - Theorie des fourneaux 7-11
Chapitre 2 - Dix principes de conception 12-16
Chapitre 3 - Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski 17-25
Chapitre 4 - Options pour les chambres de combustion 26-29
Chapitre 5 - Essai pratique d'ebullition 30-35
Annexe - Glossaire 37
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Introduction
Introduction
Strategies eprouvees
La pollution de 1'air interieur pose des problemes de
same serieux pour les deux mil millions de personnes
dans le monde entier dont les besoins en matiere de
cuisine et de chauffage sont pourvus par le carburant
issu de la biomasse. Au cours des 30 dernieres annees,
une plus grande prise de conscience s'est faite
concernant le danger environnemental et social que
represents 1'emploi des fourneaux et carburants
traditionnels. En meme temps, les etudes se penchant
sur ce probleme ont abouti a des strategies eprouvees
permettant de reduire la combustion du carburant
ainsi que ces emissions nuisibles. Malheureusement,
la conception des fourneaux actuellement disponibles
sur place ne fait pas toujours valoir ce que peut offrir
1'ingenierie moderne. Get opuscule essaye d'aborder
le probleme en recapitulant certains progres dans le
domaine de la theorie et la conception des fourneaux.
Un bon entendement de ces concepts serait utile aux
administrateurs des projets de fourneaux, aux
responsables de 1'elaboration des politiques, aux
travailleurs sur place et aux cuisiniers.
Bien que les feux ouverts menent souvent a la
surconsommation, des feux ouverts exploites avec
soin peuvent etre economes en combustible et bruler
sans residus lors des essais au laboratoire. Souvent, les
cuisiniers ne pensent pas trop a la consommation de
combustible et les etudes ont montre que lorsque le
combustible est abondant, les foyers a trois pierres
peuvent utiliser du bois excessivement pour cuire une
petite quantite d'aliments. Tandis qu'ailleurs, quand
le combustible est insuffisant, les feux ouverts
peuvent etre si bien controles que le rendement du
combustible rivalise celui de nombreux fourneaux
ameliores de premiere generation.
Comment la personne exploite le feu ouvert fait la
difference, comme c'est le cas pour tout autre outil.
Lors des annees 70 et au debut des annees 80, les feux
ouverts etaient vus comme etant assez inefficaces, en
general. Cependant, 1'analyse du feu ouvert permit
aux chercheurs de creer des fourneaux veritablement
perfectionnes. Dr. Grant Ballard-Tremeer et Dr. Kirk
Smith furent des premiers parmi ceux qui ont
determine que les foyers a trois pierres pouvaient etre
plus propres et plus economes en combustible que
certains fourneaux de cuisine « ameliores ».
Le respect envers les technologies indigenes qui
reposent sur d'innombrables annees
d'experimentation et qui ont beaucoup de merite est
en mesure de changer la perspective des scientifiques
cherchant a soulager la souffrance humaine. Le fait
d'observer comment les experts exploitent un feu
ouvert a montre aux ingenieurs comment concevoir
des fourneaux encore meilleurs. Les fourneaux de
cuisine sont concus pour d'abord assainir la
combustion. Les gaz chauds peuvent ensuite etre
forces a toucher la marmite ce qui augmente
1'efficacite
sans
augmenter les
emissions
nuisibles.
Le feu peut
etre prop re
quand les
cuisiniers
experts
poussent le
bois dans le feu a mesure qu'ils brulent, ce qui permet
de doser le combustible. Un feu ouvert peut etre un
feu chaud utile pour vite preparer des aliments ou des
boissons. L'energie est transmise a la marmite au lieu
du corps froid d'un fourneau. Un feu ouvert peut
bruler du bois sans trop de fumee car les feux chauds
brulent la fumee a mesure qu'elle est liberee du bois.
Malheureusement, les feux utilises pour la cuisson
sont souvent batis en fonction d'un usage peu
complique et sont gaspilles et polluants.
Les fourneaux modernes ont un meilleur rendement a
1'essai que meme le feu le plus soigneusement exploite
dans le laboratoire. Des fourneaux de qualite peuvent
offrir plusieurs avantages. Les fourneaux font bien
plus qu'economiser du bois et reduire la fumee.
Comment le fourneau fait la cuisine est souvent a ce
quoi les utilisateurs attachent le plus d'importance!
Figure 1 - Feu de bois traditionnel
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Introduction
Les fourneaux perfectionnes peuvent faire que la
cuisson avec le feu soit plus simple, sure, rapide, ainsi
que d'enrichir la beaute de la piece de cuisine. Un bon
fourneau s'allume plus vite, n'as pas besoin d'etre
constamment surveille et peut suffire aux besoins
precis d'un cuisinier. Une conception reussie est
appreciee parce qu'elle pourvoit a la qualite de vie ce
qui prend plus de poids que les resultats d'un essai.
Decennies de recherche
Nombreux chercheurs ont contribue aux connaissances
modernes en matiere de la thermodynamique des
fourneaux de cuisine. L'etude scientifique des
fourneaux a bois est telle a present que Favis est
unanime au sujet du fonctionnement des fourneaux.
Dr. Larry Winiarski a etudie la combustion et les
fourneaux de cuisine a bois depuis plus de trente ans.
II a aide maintes organisations a construire des
fourneaux dans differents pays du monde. Dr.
Winiarski est le Directeur Technique du centre de
recherches Aprovecho Research Center, ou les
fourneaux ont fait 1'objet d'importantes etudes depuis
1976. L'equipe de Eindhoven University, sous la
direction de Dr. Krishna Prasad et qui compte sur la
participation de Dr. Peter Verhaart et Dr. Piet Visser,
ont experimente avec des fourneaux a bois depuis plus
de dix ans et ont ecrit des livres cle a ce sujet. Dr. Sam
Baldwin a recapitule des annees de travail en Afrique
occidentale et dans le laboratoire dans son ceuvre
d'ensemble Biomass Cookstoves: Engineering Design,
Development and Dissemination (Fourneaux a
combustion de la biomasse:. Conception d'ingenierie,
developpement et diffusion) (1987).
Le premier chapitre, Theorie des fourneaux, presente le
travail de ces chercheurs de pointe et offre des
strategies utiles au concepteur de fourneaux soucieux
de perfectionner un fourneau.
Le chapitre deux, Dix principes de conception, offre une
description detaillee de la synthese de la conception
creee par Dr. Larry Winiarski
Les chapitres trois et quatre, Conceptions de fourneaux
avec Baldwin and Winiarski et Options pour les
chambres de combustion comprennent des informations
techniques pour guider le concepteur charge d'elaborer
un projet de fourneau.
Et finalement, le chapitre cinq, Essai pratique
d'ebullition, fournit aux concepteurs une methode
pratique pour mesurer le rendement des prototypes de
fourneaux au fur et a mesure qu'ils evoluent. L'essai :ne
necessite pas d'ordinateur out de calculs compliques
pour 1'analyse des donnees.
Respect des connaissances
locales
Nous esperons que les principes de conceptions ci-
apres elevent le projet, en rehaussant le respect envers
les connaissances locales ainsi que leur assimilation
subsequent^. La sensibilite et 1'egard envers les
connaissances locales fomentent 1'echange
bidirectionnel des renseignements, c'est-a-dire
apprendre et comprendre 1'expertise de la population
locale et leur technologic, tout en partageant les
connaissances acquises.
II est d'esperer que le partage des principes de
conception est plus inclusive que la simple promotion
d'un dessin de fourneau statique. La documentation
existante signale souvent que la creativite locale joue un
role dans chaque partie d'un projet de fourneau. Un
projet qui n'a pas de renseignements provenant de la
communaute qui utilisera le fourneau est un projet
demuni de 1'avis essentiel a sa reussite.
Tous les membres d'une equipe de conception,
notamment les cuisiniers, les specialistes, les
administrateurs, les promoteurs et les conseillers
techniques peuvent vite apprendre les principes de
conception d'un fourneau. La creativite et 1'experience
pratique d'une equipe entiere sont essentielles a la
creation d'un produit apte aux besoins et « gouts »
locaux.
L'emprise autonome qu'offre le processus de
conception peut aider a motiver la population locale a
devenir des instructeurs, des promoteurs, des
concepteurs et des fabricants. L'equipe technique
enrichit ses connaissances en matiere de conception,
fabrication et promotion grace aux utilisateurs et
apprend autant qu'elle enseigne. Peut-etre que la
conclusion que les projets de fourneaux ont plus de
chance de reussir lorsque routes les parties concernees
aident a la conception reflete Fesperance qu'une
meilleur representation pourra mener a la solution des
problemes de plus grande envergure.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Theorie des fourneaux
Chapitre 1
Theorie des fourneaux
Meme un feu ouvert est souvent 90% efficace a la
besogne de transformer le bois en energie. Mais une
petite proportion uniquement, entre 10% et 40%, de
1'energie liberee passe a la marmite. Le fait
d'ameliorer le rendement de la combustion n'aide pas
visiblement a ce que le fourneau utilise moins de
carburant. D'autre part, le fait d'ameliorer I'efficacite
du transfert de la chaleur a la marmite est une grande
innovation.
Un meilleur rendement de combustion est necessaire
pour reduire la fumee et les emissions nuisibles a la
sante. Une meilleure efficacite du transfert de la
chaleur peut serieusement reduire 1'usage de
carburant. Le feu est naturellement doue pour cette
tache, mais les marmites ne peuvent pas capter aussi
bien le feu car ce sont des echangeurs de chaleur
inefficaces. Afin de reduire les emissions et la
combustion de carburant, la tache du concepteur de
fourneaux et d'assainir le feu d'abord et de forcer ensuite
autant d'energie que possible dam la marmite ou la
plaque chauffante. Ces deux fonctions peuvent
s'accomplir dans un fourneau de cuisine bien mis au
point.
La meilleur pratique est toujours d'ajouter une
cheminee a tout fourneau a bois de cuisine ou de
chauffage. De plus, un fourneau dont la combustion
est propre est preferable car il protege la qualite de
1'air a 1'interieur et a 1'exterieur de la maison. Les
cheminees qui extraient la fumee et d'autres
emissions de 1'espace habitable protegent la famille en
reduisant 1'exposition aux elements polluants ainsi
que les dangers que ceux-ci posent a la sante. Meme
les fourneaux dont la combustion est propre et qui ne
sont pas munis d'une cheminee peuvent creer des
niveaux insalubres de pollution a 1'interieur.
Les fourneaux sans ventilation devraient etre utilises a
1'exterieur ou dans des espaces ouverts. Quand des
cheminees ne sont pas abordables ou pratiques,
1'emploi d'une hotte, le fait d'ouvrir les fenetres ou de
creer des events d'aeration sous les corniches du toit
sont des methodes qui peuvent toutes reduirent les
niveaux de pollution nuisible. L'emploi d'un
fourneau a combustion propre peut egalement etre
utile a cet egard mais, dans la mesure du possible,
tous les fourneaux a bois devraient toujours etre
munis d'une cheminee ajustee et efficace.
Comment creer un fourneau plus efficace qu'un feu
ouvert? Etablissons d'abord une liste des avantages du
foyer a trois pierres quand il se compare a certains
fourneaux :
> L'energie n'est pas absorbee dans la masse du corps
d'un fourneau. Les fourneaux massifs peuvent
absorber 1'energie destinee a la marmite. Le foyer a
trois pierres peut bouillir de 1'eau assez vite.
> Le feu touche le fond et, parfois, les cotes de la
marmite, ce qui expose la marmite aux gaz chauds.
*• Le feu peut etre alimente avec du bois a une
cadence temperee a mesure que les pointes
brulent, ce qui aide a achever une combustion
complete.
*• Le systeme de combustion d'un feu chaud ouvert
peut etre plus ou moins propre. Chaque fourneau
souffre du fait que sa masse absorbe la chaleur.
Mais un fourneau perfectionne peut quand meme
atteindre une meilleure combustion et efficacite de
carburant que ne le peut un feu ouvert.
Comment ameliorer la
combustion
(generer une pollution moins nuisible que celle d'un
feu ouvert)
> Veillez a ce que le feu est bien aere.
*• Isolez autour du feu pour qu'il brule plus chaud.
Un feu plus chaud brule plus de gaz combustibles
et produit moins de fumee.
*• Evitez d'utiliser des materiaux lourds et froids telle
que de la terre et du sable autour de la chambre de
combustion.
* Soulevez le bois menu qui se trouve sur la terre
pour que 1'air puisse circuler sous les morceaux de
bois et a travers le charbon.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Theorie des fourneaux
*• Une cheminee courte et isolee placee au-dessus du
feu permet d'augmenter le tirage d'air et offre un
endroit ou la fumee, 1'air et le feu peuvent
harmoniser, reduisant ainsi les emissions. Cette
strategic populaire est utilisee dans beaucoup de
fourneaux tels les Z-stove, Vesto, le fourneau a gaz
de bois Wood Gas Camp Stove, le Rocket, le Tso- Tso,
etc. Le groupe Eindhoven utilisa une cheminee au-
dessus du feu avec leur fourneau le plus propre a
passage d'air par le bas. Les fourneaux de Micuta
ont egalement incorpore cette idee ((Modern Stoves
for All, [Fourneaux modernes pour tous], 1981).
Winiarski elabora ce concept au debut des annees
80 en creant un fourneau qui assainissait la
combustion et ameliorait 1'efficacite du transfer!
de la chaleur (Capturing Heat One, [Capture de la
chaleur Un], 1996).
*• Dosez les morceaux de bois que vous introduisez
dans la chambre de combustion afin de creer un
feu chaud, feroce et nerveux qui ne produit pas
beaucoup de charbon. Ce type de feu creera moins
d'emissions dangereuses, de suie qui bouche la
cheminee et de creosote. Ne chauffez que la partie
brulante du bois. Ne laissez pas que la partie non
brulante du bois fasse de la fumee.
> Limitez Fair froid qui entre dans le feu en utilisant
Fouverture la plus petite possible. Des petites
ouvertures dans le feu peuvent egalernent faire que
le cuisinier utilise moins de bois qui, a son tour,
peut se bruler plus efficacement.
> Une combustion complete a besoin d'un peu d'air
en trop. Le fait de prechauffer 1'air permet
d'entretenir une combustion propre.
Comment ameliorer le
rendement du combustible
(plus de chaleur dans la marmite)
> Augmentez la temperature du gaz ou de la flamme
en contact avec la marmite, en faisant que Fair
chaud erafle le fond et les cotes de la marmite par
une passe etroite en utilisant une jupe de marmite.
^ Augmentez la vitesse des gaz de combustion
chauds qui eraflent la marmite. Les gaz veloces
perforent la couche limite d'air statique qui
empeche les gaz plus lents de racier la surface de la
marmite (ou de la plaque chauffante). L'air est un
milieu qui transfer!
mal la chaleur. II
faut beaucoup d'air
chaud pour chauffer
la marmite.
Utilisez des
marmites en metal
plutot que de
1'argile, car le metal
passe la chaleur en
conduction mieux
que 1'argile.
jupe de
marmite
Figure 2 - Usage
approprie de la jupe
de marmite
*• La taille du feu
dicte la taille de
1'ecart du canal
dans la jupe de la marmite ainsi que le rendement
maximal de Fechange therrnique. Les feux plus
petits qui peuvent encore satisfaire aux cuisiniers
mais qui ne sont pas trop grands seront nettement
plus efficaces.
*• Utilisez des marmites larges avec des grands
diametres. Une marmite large est munie d'une
plus grande surface permettant d'augmenter
1'echange therrnique. Assurez vous que la partie
superieure du fourneau s'incline vers le perimetre
exterieure de la marmite, comme 1'indique la
figure 2.
L'ouvrage de Sam Baldwin, Biomass Stoves:
Engineering Design, Development, and Dissemination
(Fourneau h combustion de la biomasse:. Conception
d'inge'nierie, developpement et diffusion (1987), offre
une excellente recapitulation des methodes visant a
perfectionner les fourneaux. Sa lecture est hautement
recommandee. Dr. Baldwin a calcule la relation entre
la taille du canal entre la marmite et la jupe, la
puissance et 1'efficacite. Quelques exemples avec une
marmite familiale se trouvent ci-apres :
1. Le rendement d'un feu de 1,7 kW avec un ecart de
canal de 6 mm forcant les gaz de combustion
chauds a frotter une marmite de 15 cm sera 47%.
2. Le rendement d'un feu de 4 kW avec un ecart de
canal de 10 mm fo^ant les gaz de combustion
chauds a frotter une marmite de 15 cm sera 35%.
4. Le rendement d'un feu de 6 kW avec un ecart de
canal de 12 mm forcant les gaz de combustion
chauds a frotter une marmite de 15 cm sera 30%.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Theorie des fourneaux
4. Le rendement d'un feu de 8 kW avec un ecart de
canal de 14 mm forcant les gaz de combustion
chauds a frotter une marmite de 15 cm sera 26%.
Comme regie empirique generate et approximative,
Baldwin recommande qu'un fourneau familial qui
brule moins d'un kg de bois a 1'heure peut utiliser un
espacement de passe de 11 mm entre la jupe de la
marmite et la marmite. Si le fourneau brule 1,5 kg a
1'heure, 1'espacement doit etre de 13 mm. Si 2 kg de
bois sont brules a 1'heure, 1'espacement doit etre de 15
mm. Veuillez consulter Biomass Stoves (Fourneaux a
combustion de la biomasse) pour de plus amples
informations.
Dans les fourneaux a bois, la convection transmet une
grande partie de la chaleur a la marmite ou a la plaque
chauffante. La quantite de bois qui brule a 1'heure et
1'espacement du canal sont lies. Si 1'espacement de la
jupe de la marmite est trop etroit, le tirage d'air ne
suffira pas et la fumee se repandra dans la salle.
Augmentez 1'echange thermique avec la marmite en
veillant a ce que la temperature des gaz de combustion
chauds soit la plus elevee possible. Isolez partout ou la
chaleur circule excepte la marmite ou la plaque
chauffante. Si le fourneau a suffisamment de surface
pour que les gaz de combustion chauds puissent la
gratter, les gaz de combustion seront nettement plus
froids au moment de sortir de la cheminee. Si les
temperatures a la sortie de la cheminee sont plus de
200° C, elargissez la surface pour profiter de la chaleur.
C'est possible que les marmites ou plaques chauffantes
secondaires posees pres de la cheminee ne bouillissent
jamais d'eau mais elles peuvent aider a prechauffer 1'eau
de cuisson, a rechauffer des aliments ou 1'eau de la
vaisselle ou du bain.
Figure 3 - Vue
descendante de la caisse
isolante
Figure 4 - Mise en place
de la marmite bouillante
dans la caisse isolante
Figure 5 - Mise en place
du couvercle isolant de
la caisse isolante
Une jupe de marmite force encore plus de chaleur dans
la marmite en contraignant les gaz de combustion
chauds a continuer de frotter la marmite sur ses cotes
en plus de son fond.
Une caisse isolante (egalement connue comme marmite
norvegienne, ou haybox) est un emploi encore plus
efficace de la chaleur captee. Une marmite de mets
bouillants est posee dans une caisse hermetique remplie
de materiau isolant qui conserve la chaleur dans la
marmite et cuit les aliments sans necessite de carburant
supplementaire (voir la figure 4).
Figure 6 - La cuisson
des aliments se poursuit
dans la caisse isolante
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Theorie des fourneaux
Une fois les aliments bouillis, le feu peut s'eteindre.
Une marmite de mets placee dans une caisse isolante
tire le plus grand parti possible de la chaleur pour
achever la tache de cuisson. Une caisse isolante fait
mijoter les aliments sans necessite de carburant
supplementaire. Cette technique economise une
enorme quantite de bois. Un fourneau qui conserve la
chaleur permet de gagner du temps au cuisiner qui
laisse les aliments mijoter dans la caisse isolante!
Erreurs communes
1. L'energie retenue dans le corps du fourneau aide
a cuire les aliments.
FAUX
Les essais de Baldwin ont demontre que la majeure
partie de Fenergie retenue se perd. Le charbon restant
peut chauffer des aliments une fois le feu eteint mais
1'energie retenue dans le corps du fourneau est
souvent trop froide pour bien chauffer une marmite.
Remarquez que 1'e'nergie retenue par un fourneau
peut etre utile si ce fourneau sert a chauffer la salle.
2. Conserver 1'energie dans le fourneau en
diminuant le tirage d'air aidera a la cuisson.
Diminuer les temperatures de sortie de la
cheminee signifie que le fourneau de cuisson
fonctionne comme il se doit.
FAUX
Comme nous 1'avons deja signale, le fait de reduire le
tirage d'air nuit a la combustion et a Fechange
thermique. Les gaz de combustion chauds ont besoin
de plus grandes vitesses pour reussir un transfer!
efficace de la chaleur.
3. L'emploi de la cle de reglage de la cheminee
aide au fonctionnement du fourneau.
FAUX
A nouveau, le fait de reduire le tirage d'air d'un
fourneau de cuisson est generalement nuisible. Un
fourneau de cuisson bien concu ne necessite pas
1'emploi d'un volet ou d'une cle de reglage.
4. La terre compactee ou les pierres sont des
materiaux isolants.
FAUX
Les materiaux compacts absorbent 1'energie assez vite
tandis que ['element isolant ralentit la circulation de
la chaleur. Un materiau isolant comprend des poches
d'air separees par un element leger et moins
conducteur.
L'isolation est legere et aeree. Les materiaux lourds
sont des meilleurs exemples de masse thermique.
L'isolation aide a ce que Feau bouillisse vite sur un
fourneau ; tandis que la masse thermique demunit
1'energie de la marmite et freine F ebullition de Feau.
5. Tout est mieux qu'un feu ouvert.
FAUX
Un feu ouvert peut bouillir de Feau plus vite que
nombreux fourneaux lourds. Un foyer a trois pierres
peut bruler sans residus et etre assez econome en
carburant. Tandis qu'un feu ouvert peut mener a un
exces de combustion lorsqu'il n'est pas soigneusement
surveille, les premieres conclusions qui jugeaient
meilleur le rendement d'un fourneau ont etc
remplacees par un nouvel egard envers cette ancienne
technologic. Les ingenieurs ont appris a perfectionner
les fourneaux de cuisine en travaillant les points forts
des foyers a trois pierres.
10
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Theorie des fourneaux
Les essais sont essentiels
Dans Biomass Stoves (Fourneaux h combustion de la
biomasse), Dr. Baldwin a ecrit un chapitre
remarquablement detaille sur les essais des fourneaux.
II souligne que 1'essai des prototypes est necessaire a
1'evolution d'un fourneau. Les essais des fourneaux
aident egalement a determiner si le modele est
commercialisable, si les couts de production sont les
plus abordables possibles et si des ameliorations sont
necessaires. Les essais doivent se realiser durant la vie
entiere du projet de fourneau.
Le texte de Baldwin comprend des essais qui
determinent si les consommateurs sont satisfaits du
produit, si du bois de feu est economise et comment
sont affectes differents aspects du mode de vie. Sans
essais continuels, un projet de fourneau se deroule
dans le noir, prive de renseignements technologiques,
sociologiques et commerciaux qui sont essentiels.
Nous recommandons largement la lecture du chapitre
sur les essais des fourneaux dans Biomass Cookstoves
(Fourneaux a combustion de la biomasse).
Les essais minutieux des fourneaux permettent de
comprendre plus precisement comment creer des
fourneaux meilleurs. Sans experimentations ni essais,
revolution d'un fourneau repose sur des hypotheses.
Une recherche meticuleuse peut vite ecarter les
opinions des faits. Les essais ont une double
fonction : identifier les problemes et signaler les
solutions. C'est un ingredient primordial du progres.
La page 30 du chapitre 5, presente un test simple
d'ebullition.
Des fourneaux sans danger!
II es vraisemblable qu'eviter les brulures soit une
des fonctions les plus importantes d'un fourneau
perfectionne. Les brulures sont courantes dans les
demeures qui utilisent le feu et elles peuvent etre
mortelles ou horriblement deformantes. Pour
proteger la famille, la chaleur du corps du fourneau
ne doit pas pouvoir faire mal. Les fourneaux et les
marmites doivent etre stables. Entourez le feu avec le
corps du fourneau pour proteger les enfants. Les
blessures d'un feu sont un probleme important que
les fourneaux peuvent resoudre.
Les cheminees ou les hottes peuvent egalement aider
a enlever la fumee de la cuisine. Selon les plus recents
calculs de 1'Organisation Mondiale de la Same,
jusqu'a 1,6 million de femmes et d'enfants meurent
tous les ans pour avoir respire 1'air pollue de leurs
maisons. La pneumonic ainsi que d'autres maladies
respiratoires parmi les enfants sont provoquees par le
fait de respirer de la fumee. Les fourneaux non acres
peuvent s'utiliser a 1'exterieur, sous un toit ou, au
moins, pres d'une grande fenetre. Les cheminees
operationnelles et les fourneaux hermetiques peuvent
essentiellement eliminer toute la pollution de
1'environnement interieur. Les cheminees sont
utilisees dans les pays industrialises et sont requises
pour proteger les families des emissions nuisibles. Ne
faudrait-il pas que les gens des pays plus pauvres
soient proteges de la meme facon?
11
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Dix principes de conception
Chapitre 2
Dix principes de conception
Les principes de conception de Dr. Larry Winiarski ont ere utilises par maintes organisations afm de creer des
fourneaux reussis. Les fourneaux plancha HELPS au Guatemala, EcoStove PROLENA au Nicaragua, Trees, Water
and People Justa au Honduras, ProBec en Afrique du Sud, la nouvelle generation de fourneaux de cuisine GTZ en
Afrique, ainsi que le fameux fourneau Rocket, on tous etes concus avec ses principes. Lapproche de Winiarski
marie les caracteristiques de la combustion propre et de 1'echange thermique optimise. Tout type de fourneau a
bois alimente de facon intermittente peut d'abord etre envisage par la population locale en fonction de ses
necessites et etre ensuite acheve en adaptant de tels principes.
Les fourneaux alimentes de facon intermittente et ventiles fonctionnent differemment. Ces autres methodes de
conception des fourneaux permettent de reussir a perfectionner les fourneaux a bois. Tandis que nombreux
experts se concentrent sur ces deux approches, Crispin Pemberton-Pigott et Dr. Tom Reed ont tous deux elabore
d'excellents modeles operationnels qui sont en vente chacun. Pour de plus amples informations sur le fourneau
Vesto, veuillez contacter : Crispin Pemberton-Pigott; vesto@newdawn.sz, ou VESTO, P.O. Box 85274
Emmarentia, Republique de 1'Afrique du Sud 2029.
Dr. Tom Reed etudie les feux de bois depuis des dizaines d'annees. Ses fourneaux ventiles sont des inventions
merveilleuses, actuellement disponibles sur le marche sous le nom de « Wood Gas Camp Stoves ». On peut joindre
Dr. Reed aupres de Biomass Energy Foundation Press ou a 1'adresse tombreed@comcast.net.
PRINCIPE UN:
Autant que possible, creez de 1'isolation autour du
feu avec des materiaux legers et resistants a la
chaleur. Si possible, n'utilisez pas de materiaux
lourds tels le sable ou 1'argile, 1'isolation devrait etre
legere et pleine de petites poches d'air. Des exemples
d'isolation naturelle sont les pierres ponce, la
vermiculite, la perlite et la cendre de bois. Des
briques refractaires legeres (brique cuite et qui est
resistante aux craquelures a des temperatures elevees)
peuvent se fabriquer a partir de sources locales (pour
des recettes, reportez-vous au chapitre 4, Option 2:
Ceramiques isolantes, page 27).
Lisolation autour du feu conserve sa chaleur ce qui
permet de reduire la fumee et les emission nuisibles.
De plus, 1'isolation autour du feu empeche la chaleur
de se propager a travers le corps du fourneau au lie de
la marmite. Malheureusement, le metal ne dure pas
tres longtemps pres d'un feu chaud. Cependant, il y a
des tuiles ceramiques fabriquees sur place qui sont
durables lorsqu'elles sont utilisees comme paroi d'une
chambre de combustion. Une isolation lache peut
entourer ce type de construction. (Voir le chapitre 4,
Option 1: Carreaux de sol, page 26.)
brique isolante
poches d'air qui ralentissent
le transfer! de la chaleur a la
brique
Figure 7 - Isolation autour du feu
12
-------
Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Dix principes de conception
PRINCIPE DEUX:
Posez une cheminee courte isolee juste au dessus du feu. La cheminee de la
chambre de combustion devrait etre a peu pres trois fois plus haute que son
diametre. Une cheminee courte au dessus du feu augmente le tirage d'air et
contribue a ce que le feu soit chaud et feroce. La fumee touchera le feu dans la
cheminee et sera incineree ce qui reduit les emissions. Les marmites ou les
surfaces a chauffer sont posees au dessus de la cheminee courte. Une cheminee
de chambre de combustion plus haute, plus de trois fois son diametre,
eliminera plus de fumee, mais une cheminee plus courte amenera les gaz plus
chauds vers la marmite. Une cheminee de chambre de combustion peut creer
trop de tirage d'air et amener un exces d'air froid ce qui aura 1'effet de reduire
1'echange thermique.
Figure 8 - Une cheminee
courte isolee au dessus du feu
PRINCIPE TROIS:
ChaufFez et brulez les bouts des morceaux de bois a mesure qu'ils sont introduits dans le feu. Si seulement le
bois que brule est chaud il y aura beaucoup moins de fumee. Efforcez-vous a ce que le reste du morceau de bois
reste suffisamment froid pour qu'il ne couve pas de feu et produise de la fumee.
Le but est de creer le volume juste de gaz pour que celui-ci brule de fa£on propre sans produire ni charbon ni
fumee. La fumee est du gaz qui n'a pas brule ! La respirer est nuisible a la same. Meme la combustion
d'apparence plus propre contient des emissions dangereuses.
Figure 9 - Feu qui brule sans residus
Figure 10 - Un feu de bois qui couve produit de la fumee
PRINCIPE QUATRE:
Une temperature haute ou
basse depend de la quantite de
bois introduit dans le feu.
Reglez la quantite de gaz
produite et le feu cree en
fonction de la tache de cuisson.
(Le bois chauffe et emane du
gaz. Le gaz prend feu et produit
de la chaleur.)
Figure 11- Temperature basse
Figure 12 - Temperature haute
13
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Dix principes de conception
PRINCIPE CINQ:
Veillez a maintenir un bon tirage d'air a travers le
carburant. Tout comme le fait de souffler sur un feu
et sur du charbon fait monter la temperature, un
tirage d'air juste aidera a conserver la temperature
elevee dans votre fourneau. Un feu propre est un feu
chaud.
Figure 13 - Entretenir un bon tirage d'air
PRINCIPE SIX:
Un tirage d'air trop exigu produira de la fumee et
trop de charbon. Bien que trop d'air refroidit le feu
et n'est pas utile. Des ouvertures plus petites dans le
feu aide a controler I'exces d'air. Un meilleur echange
thermique avec la marmite ou a la plaque chauffante
est le facteur le plus important qui reduira le
combustible que consomme un fourneau de cuisine.
Une combustion plus efficace reduit la pollution mais
a moins d'importance quand il s'agit d'economiser du
bois de feu.
Figure 14 - Equilibrage du tirage d'air d'un fourneau a
plusieurs marmites
PRINCIPE SEPT:
La taille de 1'ouverture dans le feu, celle des
espaces parmi lesquels 1'air chaud circule dans un
fourneau et celle de la cheminee devraient etre
semblables. Get equilibre s'appelle le maintien de
la surface de section constante et il contribue a
garder un tirage d'air uniforme a travers le fourneau.
Un bon tirage d'air non seulement conserve la
chaleur du feu mais il est egalement essentiel au
transfert efficace a la marmite de Fair chaud cree par
le feu. L'air ne transporte pas beaucoup d'energie et
done il en faut beaucoup pour passer a travers le
fourneau afin d'accomplir la tache de chauffer I'eau
ou les aliments. La taille des ouvertures est plus
grande dans les fourneaux plus puissants qui brulent
plus de bois et produisent plus de chaleur. En
general, une trappe dont 1'ouverture carree est de
12 centimetres de chaque cote ainsi qu'une
cheminee et des tunnels dans le fourneau de taille
semblable produiront un feu adapte a cuisson
familiale. Les fourneaux commerciaux necessitent des
ouvertures, des tunnels et des cheminees plus larges
car les feux plus grands necessitent plus d'air. Pour de
plus amples informations, reportez-vous au chapitre
intitule Conception de fourneaux avec Baldwin et
Winiarski, a la page 17.
Figure 15 - Maintien de la surface de section constante
y?
6
.7 1
•a
14
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Dix principes de conception
PRINCIPE HUIT:
Utilisez une grille a feu. N'etalez pas des morceaux
de bois au fond du foyer. L'air a besoin de circuler
sous les branches de bois, de se degager du charbon et
d'acceder au feu. Une tablette installee dans
1'ouverture du fourneau permet egalement de degager
le bois pour que 1'air puisse circuler en dessous.
Quand vous brulez du bois, nous vous
recommandons de les rassembler a plat sur la tablette
avec de la place pour 1'air entre chaque morceau de
bois. Les morceaux de bois brulants maintiennent la
chaleur du feu et chaque morceau brulant contribue a
ce que les autres morceaux brulent egalement. L'ideal
est que 1'air qui circule sous la tablette et parmi le
charbon soit prechauffe de tel sorte qu'il aide les gaz a
reussir la combustion totale lorsqu'il atteint le feu.
L'air qui passe au dessus du bois n'est pas aussi
avantageux car il est moins chaud et refroidit le feu.
Un feu chaud et feroce est un feu propre tandis que la
combustion d'un feu froid peut etre tres impropre.
Rejilla
para
leria
'.-'•. . . ' Aislante
Figure 16 - Emploi d'une grille sous le feu
PRINCIPE NEUF:
Isolez le parcours du flux thermique. Les cuisiniers
ont tendance a preferer les fourneaux a ebullition
rapide. Ceci revet une importance toute particuliere le
matin quand les membres de la famille se preparent
pour la journee. Si la chaleur passe a la masse du
fourneau, la marmite bouillit plus lentement. Quel
serait le but de chauffer cinquante ou cent kilos de
masse tous les matins quand on ne souhaite chauffer
qu'un kilo de nourriture ou un litre d'eau ? Les
materiaux isolants du fourneau conservent la chaleur
des gaz de combustion pour qu'ils puissent mieux
chauffer la casserole ou la plaque chauffante.
L'isolation est tres legere et pourvue d'orifices. L'argile
et le sable, ou d'autres materiaux epais ne sont pas
isolants. Les materiaux a grande densite absorbent la
chaleur et la detourne de la cuisson des aliments.
PRINCIPE DIX:
Maximisez 1'echange thermique avec la marmite
avec des espacements correctement etalonnes. Les
canaux plus petits sont mieux adaptees au transferts
de la chaleur aux marmites ou aux plaques
chauffantes. Les gaz de combustion chauds du feu
sont attises a travers ces canaux etroits, ou
espacements, ou ils sont contraints de frotter la
marmite ou la plaque chauffante. Si I'espacement est
trop large, les gaz de combustion chauds chercheront
a s'arreter au milieu du canal sans possibilite
d'effectuer I'echange thermique avec la surface de
cuisson en question. Par centre, si les espacements
sont trop petits, le tirage d'air diminue ce qui
refroidit le feu, augmente les emissions et empeche la
chaleur de passer a la marmite.
Pendant I'etape de conception d'un fourneau,
I'espacement du canal a cote de la marmite, ou de la
plaque chauffante, peut se restreindre a tel point que
le feu devient « indolent ». En suivant une methode
d'approximations successives (c'est-a-dire
I'apprentissage par essai et erreur), elargissez
I'espacement peu a peu jusqu'a ce que le feu reste
chaud et puissant.
15
-------
Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Dix principes de conception
Les deux facteurs les plus importants de 1'echange
thermique avec la marmite ou la plaque chauffante
sont: 1) garder les gaz de combustion qui touchent la
marmite ou la plaque chauffante le plus chaud
possible et 2) forcer les gaz chauds a frotter la surface
rapidement et non lentement. L'air ne conserve pas
bien la chaleur. Les gaz de combustion chauds plus
rapides qui frottent la marmite ou la plaque chauffante
assureront un meilleur echange thermique qu Fair plus
froid et plus lent.
La taille du canal peut se calculer grace au maintien
de la surface de section constante sur 1'ensemble du
fourneau. Si vous utilisez une cheminee externe qui
apporte un plus grand tirage d'air, vous pouvez
reduire les espacements des canaux. Pour de plus
amples informations au sujet des espacements,
reportez-vous au chapitre suivant.
Figure 17 - Un espacement bien regie
optimise I'echange thermique avec la
marmite
Figure 18 - Un espacement trop large
reduit I'echange thermique avec la marmite
16
-------
Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Chapitre 3
Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Le fait de forcer des gaz de combustion chauds a
frotter la surface de contact de la marmite, ou de la
plaque chauffante, a travers un canal etroit est une
strategic de conception raise en vogue par Dr. Samuel
Baldwin et Dr. Larry Winiarski. En 1982, Dr.
Winiarski crea la jupe de marmite, un cylindre en tole
entourant la marmite et formant un canal etroit qui
augmente 1'efficacite de 1'echange thermique.
Dr. Baldwin etudia les fourneaux en Afrique et en
1987 il publia Biomass Stoves: Engineering Design,
Development, and Dissemination (Fourneau a
combustion de la biomasse: Conception d'ingenierie,
developpement et diffusion) (1987), ouvrage precursier
ou il souligne 1'importance des canaux etroits pour un
meilleur echange thermique avec la marmite.
En general, il existe trois fa^ons d'augmenter 1'echange
thermique par convection:
*• La temperature des gaz de combustion eraflant la
surface a chauffer devraient etre la plus elevee
possible.
*• La surface de contact de 1'echangeur thermique
devrait etre le plus large possible.
*• La vitesse des gaz de combustion chauds devrait
etre augmentee autant que possible. Un flux plus
rapide sur 1'exterieur de la marmite agite la couche
limite stagnante de Fair qui ralentit le
rechauffement efficace.
Les canaux etroits que forme une jupe isolee pres de la
marmite (voir la figure 19) peuvent aider a optimiser
les trois principes de facon simple et rentable. Bien
que le fait de diminuer 1'espacement augmente
canal etroit
jupe de
marmite
1'efficacite du transfer!, cette diminution a pour effet
de diminuer egalement le flux d'air a travers le
fourneau. La taille de 1'espacement doit done etre
mesure en fonction de la puissance. Si plus de bois est
brule la minute, plus d'air est necessaire a la
combustion et au flux requis pour eviter le
refoulement d'air dans la salle. Si 1'espacement est
trop petit le feu brulera bien pour mijoter mais n'aura
pas assez d'air pour des cuissons plus puissantes.
D'autre part, des grands espacements assureront un
feu grand mais la chaleur superflue se perdra a cause
du transfer! minime de la chaleur.
Strategies de conception
Les deux createurs de fourneaux abordent la question
de la taille de 1'espacement differemment. Winiarski,
dans Rocket Stove Design Principles (Principes de
conception des fourneaux Rocket (1997), recommande
aux techniciens d'entreprendre la conception des
fourneaux en gardant la surface de section constante a
travers le fourneau. II etablit la surface de section a
1'ouverture du feu, ou magasin a combustible, et
amenage ensuite les espacements appropries atour des
marmites en gardant la meme surface de section. La
methode de Baldwin preconise au concepteur de
selectionner la puissance maximale du fourneau. La
taille de 1'espacement est ensuite etablie a partir de la
puissance fixee. Winiarski choisit la taille du magasin
a combustible en premier tandis que Balwin se sert de
la puissance comme point de depart. Les intervalles
au sein du fourneau sont determines par 1'un ou
1'autre de ces choix fondamentaux.
Figure 19 - Le canal etroit a cote de la
marmite augmente I'echange thermique par
convection
Figure 20 - Les gaz de combustion chauds
passent par un canal etroit et sont contraints de
frotter la surface des marmites
17
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Methode de Winiarski
L'illustration et les tableaux ci-apres (voir les pages 19
a 20) montrent comment la taille des canaux a cote
de la marmite, ou de la plaque chauffante, change a
mesure que 1'ouverture du feu s'elargit. Dr. Winiarski
suggere qu'une ouverture de 12 cm par 12 cm
convient en general a un fourneau de cuisine familial.
Des ouvertures plus larges qui permettent plus de
bois dans le feu produisent plus de puissance et
elargissent les espacements du canal. Le fait de garder
constante la surface de section sur 1'ensemble d'un
fourneau assure un tirage d'air favorisant une bonne
combustion ainsi que des espacements de canal
ameliorant 1'efficacite de 1'echange thermique. Ceci
signifie que 1'ouverture de la chambre de combustion,
la chambre de combustion, 1'ecart d'air entre la
marmite, ou la plaque chauffante, et la cheminee sont
de la meme taille (nombre egal de centimetres carres)
bien que leur forme ne le soit pas. Winiarski
recommande aux concepteurs de creer des fourneaux
prototypes qui maintiennent la surface de section
constante pour que le tirage d'air circule a un taux
optimal. Un tirage d'air plus lent nuit a la
combustion et a 1'efficacite de 1'echange thermique
avec la marmite.
Couvercle
Marmite
Jupe de
marmite
Cheminee
courte isolee
au-dessus du
feu
Carburant
Entree
Dessus de
cuisiniere
Corps du
fourneau
Figure 21 - Un fourneau Winiarski typique
(Utilisez cette illustration avec les calculs de la page 19-25 et etablir la taille
appropriee de 1'ecart).
18
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
SURFACE DE SECTION POUR LES CHAMBRES DE COMBUSTION CARREES
Utilisez ces tableaux pour creer des fourneaux dont la surface de section est constante
Tableau 1
Chambre de combustion
Taille de la marmite (cm)
Espacement A (cm)
Espacement B (cm)
Espacement C (cm)
Espacement D (cm)
Chambre de combustion
Taille de la marmite (cm)
Espacement A (cm)
Espacement B (cm)
Espacement C (cm)
Espacement D (cm)
carree de
20
3
2,5
2,3
2,1
carree de
20
3,5
3,1
3,1
2.7
12 cm x 12 cm
30
3
2,5
1,5
1,5
14 cm x 14 cm
30
3,5
3,1
2,1
2
40
3
2,5
1,1
1,1
40
3,5
3,1
1,6
1,5
50
3
2,5
0,9
0,9
50
3,5
3,1
1,2
1,2
Chambre de combustion
Taille de la marmite (cm)
Espacement A (cm)
Espacement B (cm)
Espacement C (cm)
Espacement D (cm)
Chambre de combustion
Taille de la marmite (cm)
Espacement A (cm)
Espacement B (cm)
Espacement C (cm)
Espacement D (cm)
Chambre de combustion
Taille de la marmite (cm)
Espacement A (cm)
Espacement B (cm)
Espacement C (cm)
Espacement D (cm)
carree de 1 6
20
S/O
s/o
S/O
s/o
carree de 18
20
S/O
s/o
s/o
s/o
carree de 20
20
S/O
s/o
s/o
s/o
cm x 16 cm
30
4
3,7
2,7
2,5
cm x 18 cm
30
4,5
4,3
3,4
3,1
cm x 20 cm
30
5
4,9
4,2
3,7
40
4
3,7
2
1,9
40
4,5
4,3
2,6
2,4
40
5
4,9
3,2
3
50
4
3,7
1,6
1,6
50
4,5
4,3
2,1
2
50
5
4,9
2,5
2,4
19
-------
Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
SURFACE DE SECTION POUR LES CHAMBRES DE COMBUSTION SPHERIQUES
Tableau 2
Chambre de combustion spherique d'un
Taille de la marmite (cm) 20
Espacement A (cm) 3
Espacement B (cm) 2
Espacement C (cm) 1 ,8
Espacement D (cm) 1 ,6
Chambre de combustion spherique d'un
Taille de la marmite (cm) 20
Espacement A (cm) 3,5
Espacement B (cm) 2,4
Espacement C (cm) 2,4
Espacement D (cm) 2,2
Chambre de combustion spherique d'un
Taille de la marmite (cm) 20
Espacement A (cm) S/O
Espacement B (cm) S/O
Espacement C (cm) S/O
Espacement D (cm) S/O
Chambre de combustion spherique d'un
Taille de la marmite (cm) 20
Espacement A (cm) S/O
Espacement B (cm) S/O
Espacement C (cm) S/O
Espacement D (cm) S/O
Chambre de combustion spherique d'un
Taille de la marmite (cm) 20
Espacement A (cm) S/O
Espacement B (cm) S/O
Espacement C (cm) S/O
Espacement D (cm) S/O
diametre de 12 cm
30
3
2
1,2
1,2
diametre de 14 cm
30
3,5
2,4
1,6
1,5
diametre de 16 cm
30
4
2,9
2,1
2
diametre de 1 8 cm
30
4,5
3,4
2,7
2,5
diametre de 20 cm
30
5
3,8
3,3
3
40
3
2
0,9
0,9
40
3,5
2,4
1,2
1,2
40
4
2,9
1,6
1,5
40
4,5
3,4
2
1,9
40
5
3,8
2,5
2,4
50
3
2
0,7
0,7
50
3,5
2,4
0,9
0,9
50
4
2,9
1,3
1,3
50
4,5
3,4
1,6
1,6
50
5
3,8
2
1,9
20
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Baldwin: La puissance du feu determine la taille du canal
Comme le montre la representation graphique ci-dessous, les methodes de Baldwin et Winiarski semblent creer
des interstices de taille semblable. Ces valeurs sont issues des graphiqes dans Biomass Stoves (Fourneaux a
combustion de la biomasse), ouvrage qui recapitule les conclusions de Baldwin. Le graphique est une approximation
visant a eclairer la relation entre la puissance, la combustion de bois a 1'heure, la longueur et largeur de
1'espacement et 1'efficacite du fourneau.
Tableau 3 - Dimensions des espacements recommandees par Baldwin
Bois brule a
I'heure (kg)
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
Espacement de
la jupe (mm)
8
10
11
12
13
14
Longueur de
I'espacement (cm)
20
20
20
20
20
20
Efficacite thermique
du fourneau (%)
40
35
30
28
26
25
Puissance du
feu (kW)
2,8
4,1
5,5
6,9
8,3
9,6
Un fourneau representatif des conceptions de Winiarski dont la chambre de combustion carree est de 12 cm x 12
cm consomme le bois a un taux approximatif de 1,5 kg a I'heure quand la puissance est haute. Dans son
programme informatique, Baldwin se sert d'une marmite de 30 cm comme marmite « familiale ». Vu la
dimension de la marmite, 1'ecart du perimetre avec le modele de Winiarski est cense se calculer en divisant 1'aire
(A = 12 cm x 12 cm =144 cm carres pour une chamber de combustion carree) par le perimetre au rebord de la
marmite (P = pi (d), la circonference ou 3,14 x 30 = 94 cm). L'ecart resultant est 144 cm/94 cm = 1,5 cm (15
mm). D'apres le tableau de Baldwin, nous voyons que 1'efficience maximale d'un fourneau dont le taux de
combustion est 1,5 kg a I'heure exigerait un ecart de 13 mm, c'est-a-dire 2 mm de difference du modele de
Winiarski.
21
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Calculs
Conformement a la methode de Winiarski, la surface de section doit etre constante et vous devrez done calculer
la hauteur correcte de 1'ecart sous la marmite. L'hauteur changera a mesure que vous passez du centre la chambre
de combustion a Fexterieur du rebord de la marmite. Pour ce faire, calculez 1'espacement necessaire au bord de la
chambre de combustion et au bord de la marmite. Bien que ceci paraisse complique c'est relativement simple. Ce
calcul comprend cinq etapes :
1. Determinez 1'aire de la chambre de combustion, valeur a suivre sur 1'ensemble du fourneau. Si la
chambre de combustion est spherique, utilisez la formule ci-apres pour calculer 1'aire :
A = K-r2
c c
ou Ac est 1'aire, A = 3,14, et re est le rayon. Le rayon est une moitie du diametre. Si la chambre de
combustion est carree ou rectangulaire, utilisez la formule ci-apres pour calculer 1'aire :
A = l-w
c
ou / est la hauteur et w la largeur.
2. Au bord de la cheminee isolee au dessus du feu, les gaz virent et suivent le fond de la marmite. Pour
determiner 1'espacement requis au bord de la chambre de combustion, definissez d'abord la
circonference de 1'aire par laquelle les gaz chauds vont passer. Pour ce faire, mesurez la distance de la
sortie du centre de la chambre de combustion jusqu'au bord le plus eloigne, r„ Dans le cas d'une
chambre de combustion spherique, cette valeur est le rayon. Dans le cas d'une chambre carree ou
rectangulaire, cette valeur est la distance depuis le centre jusqu'a un des coins. Determinez la
circonference associee avec cette distance. Ceci est:
C =2 • n • r
c c
Dans le cas d'une chambre de combustion rectangulaire, la circonference est egale au perimetre du
rectangle, ou bien
C =2-1+2- w
c
3. Ensuite, divisez la surface de section, A, definie lots de 1'etape 1, par la valeur C definie lors de
1'etape 2. C'est:
G =AIC
c c
ou G est 1'espacement requis entre le fond de la marmite et le bord superieur de la chambre de
combustion.
4. Determinez maintenant 1'espacement optimal au bord de la marmite. Mesurez la circonference, Cp,
de la marmite. C'est la distance autour de la marmite entiere. La circonference peut se mesurer de
deux facons. La plus simple est de prendre un fil, de faire le tour de la marmite avec et de mesurer la
longueur du fil. Autrement, vous pouvez definir la circonference a partir du rayon, r .
C =2 . 71 • r
p <•
22
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
5. Tout comme 1'etape 3, divisez la surface de section, Af, telle que definie a 1'etape 1 par la valeur de C
definie a 1'etape 4 pour calculer 1'espacement requis au bord de la marmite, G . C'est:
G =A/C
p P
Comme deja indique ci-dessus, 1'aire sous la marmite devra se reduire en douceur, en passant du bord de la
chambre de combustion jusqu'au bord de la marmite. Les lecteurs appliques remarqueront que la diminution de
1'espacement n'est pas lineaire. Cependant, la regie empirique gouvernant 1'aire constante en tant
qu'approximation simplifie cette demarche. En douceur, raccordez manuellement, et de fa£on lineaire, la distance
de 1'espacement au bord de la chambre de combustion avec le rebord de la marmite.
Une fois que le prototype muni d'une surface de section constante est cree, il faudra peaufiner le fourneau de
cuisine en reduisant 1'ecart du canal tandis que vous observez le feu a haute puissance. Reglez un espacement le
plus petit possible tout en surveillant que le tirage d'air peut assurer une combustion propre. Il est utile de ne pas
oublier que les fourneaux fonctionnent souvent a une tres haute puissance, le concepteur meticuleux doit done
ne pas trop retrecir les ecarts en fonction de la puissance maximable possible. Un ecart qui depasse 1'espace
theoriquement ideal fournit egalement un degre de protection centre les colmatages crees par une combustion
incomplete.
Example 1
Examinez le cas d'un fourneau dont la chambre de combustion spherique est d'un diametre de 12 cm avec une
marmite de cuisson d'un diametre de 30 cm.
La premiere etape consiste a calculer la surface de section de la chambre de combustion. En utilisant le rayon,
c'est:
A = n>62 = n-36= 113,1cm2
Calculez ensuite 1'ecart requis au bord de la chambre de combustion. Pour commencer, nous calculons la
circonference de 1'aire par laquelle les gaz chaud vont circuler. C'est:
C=2.7i.6 = 7t-12 = 37,7cm
Cette valeur vous permet de trouver 1'ecart requis au bord de la chambre de combustion:
G = 113,1/37,7 = 3,0cm
Si cet espace n'a que deux centimetres de hauteur, la surface de section de 1'espacement A ne serait que 75,4
cm2,ce qui reduit le tirage et accroit la production de fumee. Si 1'ecart de 1'espacement A est 5 centimetres, la
surface de section serait 188,5 cm2. Cette surface est tellement large que meme si le taux de flus est soutenu, la
vitesse des gaz chauds est diminuee et les gaz ne sont plus forces de gratter la marmite et ne peuvent plus ceder
leur energie.
Au bord de la marmite, la circonference que les gaz chauds doivent franchir est:
C = 2 • n • 15 = TI • 30 = 94,3cm
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
L'espacement requis au bord de la marmite est:
Gp= 113/94,3= 1,2cm
II faut tenir compte que ceci est une approximation et que 1'espacement devra etre regie sur place conformement
au reglage de la plus haute puissance du fourneau. De plus, il faudra diminuer en douceur I'ecart de 3,0 cm au
bord de la chambre de combustion jusqu'a 1,2 cm au bord de la marmite.
Exemple 2
II est souvent moins onereux de construire des chambres de combustion carrees ou rectangulaires. Examiner le
cas d'une chambre de combustion rectangulaire de 12 cm x 10 xm avec une marmite de caisson d'un diametre de
30 cm. La premiere etape consiste a calculer la surface de section de la chambre de combustion. C'est
Ac = 12 • 10 = 120cm2
Calculez ensuite I'ecart requis au bord de la chambre de combustion. Pour commencer, nous calculons la
circonference de 1'aire par laquelle les gaz chaud vont circuler. C'est egal au perimetre du rectangle, ou:
C=2-l + 2.w = 2.12 + 2-10 = 44,0cm
Cette valeur vous permet de trouver I'ecart requis au bord de la chambre de combustion:
G = 120/44,0 = 2,7cm
Au bord de la marmite, la circonference que les gaz chauds doivent franchir est 94,3:
C = 2 • 7t • 15 = TI • 30 = 94,3cm
p
L'espacement requis au bord de la marmite est:
G = 120/94,3 = 1,3cm
A nouveau, il faut tenir compte que ceci est une approximation et que 1'espacement devra etre regie sur place
conformement au reglage de la plus haute puissance du fourneau. De plus, il faudra diminuer en douceur I'ecart
de 2,7 cm au bord de la chambre de combustion jusqu'a 1,3 cm au bord de la marmite.
Exemple 3
Une autre application de la regie empirique gouvernant la surface constante consiste a determiner 1'espacement
requis entre la marmite et une jupe de marmite isolante. Une jupe de marmite isolee est une bande de metallique
isolante posee autour de la marmite ce qui oblige les gaz chauds a frotter les cotes de la marmite. Penchez-vous
sur le fourneau de cuisine a chambre de combustion spherique de 12 cm et la marmite de 30 cm de 1'exemple 1.
Pour calculer 1'espacement entre la marmite et la jupe le logn des paros, ou espacement D du graphique a la page
18, commencez avec 1'aire de la chambre de combustion indiquee a 1'exemple 1:
A = 7i'62 = 7i-36= 113cm2
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Conception de fourneaux avec Baldwin et Winiarski
Divisez cette valeur par la circonference autour de la marmire:
C =2-71-15 = Ji-30 = 94,3cm
L'espacemenr requis devienr:
p
G... = A/C = 113,1/94,3 = 1,2cm
falda c p ' ' '
Remarquez que c'esr le meme espacemenr que celui enrre le bord de la marmire et la surface du fourneau. Le
lecteur applique aura remarque cette approximarion. Qui es une tres bonne approximation. Souvenez-vous
egalement que ce n'esr qu'un point de depart et que des reglages supplementaires pour les hautes puisssances
seronr necessaires sur place.
Conclusions
Les methodes de Winiarski et de Baldwin menent toutes deux a des solutions utiles qui semblent etre etroitement
liees. La creation de canaux de taille petite permettant d'augmenter 1'efficacite de 1'echange thermique est une
strategic commune dont se servent les ingenieurs soucieux d'optimiser 1'echange thermique. La mise au point de
cette pratique avec les fourneaux de cuisine demontre un meilleur rendement du carburant. Meme un feu ouvert
est souvent 90% efficace a la besogne de transformer le bois en chaleur. Mais une petite proportion uniquement,
entre 10% et 40%, de la chaleur degagee passe a la marmite. Une meilleure efficacite de la combustion ne joue
pas enormement sur le rendement general du systeme, c'est-a-dire sur une combustion reduite du carburant.
D'autre part, le fait d'ameliorer 1'efficacite du transfer! de la chaleur a la marmite peut etre une grande
innovation qui economise des grandes quantites de bois.
Les fourneaux doivent utiliser des espacements suffisament larges pour soutenir le flux d'air a haute puissance.
Beaucoup moins de puissance est requise quand il s'agit de faire mijoter la nourriture. Cependant, 1'efficacite de
1'echange thermique en soufre canr les canaux sont plus larges que necessaire et reduisent le taux du flux. C'est
pour cette raison que, sans d'espacements reglables, 1'efficacite de 1'echange thermique des fourneaux a tendance a
etre meilleure a haute puissance. Une jupe de marmite dont les espacements peuvent se regler resout cette
question.
Un fait digne de remarque est que Baldwin etait frappe par les ameliorations poissibles lorsqu'une cheminee
courte isolee etait placee sur le feu, caracreristique determinante du fourneau Rocket de Winiarski. Baldwin
indique qu'une telle reconfiguration de la chambre de combustion mene a une plus grande vitesse des gaz de
combustion chauds a cause de la hauteur de la cheminee, ce qui resulte en une combustion propre er une bonne
efficacite du carburant (Page 43, Biommas Stoves). En pratique, le fait d'installer une cheminee courte isolante au
dessus de feu semble assainir la combustion. Le fait de forcer les gaz de combustion chauds plus propres a frotter
la marmite, ou la plaque chauffante, a travers des ecarts etroits peut augmenrer 1'efficacite du transfert de la
chaleur sans autrement augmenter les emissions nuisibles.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Options pour les chambres de combustion
Chapitre 4
Options pour les chambres de combustion*
Plusieurs essais du fourneau Lorenan en sable et
argile, des 1983, on demontre que les materiaux a
haute masse thermique poses pres du feu peuvent
nuire a la reactivite, 1'efficacite du carburant et aux
emissions d'un fourneau de cuisine car ils absorbent
la chaleur emise par le feu. Des exemples de
materiaux a haute masse thermique sont la boue, le
sable et 1'argile. Quand les fourneaux sont fabriques
avec des materiaux a haute masse thermique, leur
efficacite (d'apres les essais au laboratoire) peuvent
etre pires qu'un foyer a trois pierres.
Quels sont les autres materiaux possibles? Les
fourneaux propres peuvent produirent des
temperatures tellement elevees dans la chambre de
combustion (ou le feu brule) que le metal, meme
1'acier inoxydable, peut etre detruit. Les chambres de
combustion en fonte, bien que durables, sont cheres.
Tandis que la boue, le sable et 1'argile, meme si leur
masse thermique est elevee, ont certains avantages.
Ces materiaux sont disponibles sur place, abordables,
simples d'utiliser et durables car la chaleur intense
produite par le feu ne les calcine pas. La creativite et
une ingenierie solide permettent au concepteur de
fourneau d'employer ces materiaux de fa£on
avantageuse sans permettre que leur haute masse
thermique degrade la qualite du fourneau.
Les fabricants de fourneaux utilisent des pieces en
ceramique depuis longtemps. Le fourneau Thai
Bucket se sert d'une chambre de combustion en
ceramique. Le fourneau Jiko du Kenya utilise
egalement un revetement ceramique qui protege le
corps en tole du fourneau. Nombreux livres ont etc
publics qui decrivent comment fabriquer des
chambres de combustion en ceramique pouvant
durer plusieurs annees.** Une cooperative de femmes
au Honduras, nommee Nueva Esperanza, produit des
pieces de fourneau en ceramique refractaire durables
a partir d'un melange d'argile, de sable, de fumier de
cheval et de gomme d'arbre. Ces chambres de
combustion sont utilisees dans les fourneaux Dona
Justa et Eco qui sont en vogue en Amerique centrale.
Lavantage des chambres de combustion en ceramique
dans des cas semblables provient de sa longevite.
Comme le montre I'examples ci-dessous, 1'essentiel
pour minimiser 1'inconvenient du materiau
ceramique, avec sa masse thermique elevee, est
d'utiliser la quantite la plus petite possible sans pour
cela compromettre sa force et: en le revetant d'un
materiau isolant.
Option 1: Carreaux de sol
Don O'Neal (HELPS International) et Dr. Winiarski
ont trouve un autre materiau au Guatemala, un
carreau de sol abordable connu comme baldosa. Le
carreau baldosa est a peu pres 1,5 cm d'epais et etre
coupe ou moule pour former une chambre de
combustion. Un isolant en vrac remplit 1'instertice
entre la chambre de combustion et la paroi interieur
du fourneau. La cendre de bois, la pierre ponce, la
vermiculite et la perlite sont tous des isolants en vrac
qui resistent bien a la chaleur. Le carreau baldosa est
Figure 22 - Carreau de sol en ceramique
* Premiere publication dans Boiling Point Numero 49
** Un bon livre a ce sujet est The Kenya Ceramic Jiko: A Manual for Stovemakers (Le Jiko en ceramique du Kenya: un guide pour les fabricants de
Allen, 1991).
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Options pour les chambres de combustion
abordable et a dure quatre ans dans les fourneaux
isoles HELPS and Trees, Water and People, construits
en Amerique centrale.
Le carreau baldosa est mis a 1'essai en le mettant dans
un feu jusqu'a ce qu'il soit chauffe au rouge. Le
carreau est ensuite extrait et rapidement plonge dans
un seau d'eau froide. Si le carreau est sans fissure, il
durera probablement dans une chambre de
combustion. Les carreaux baldosa sont normalement
fabriques a partir d'argile rouge et sont cuits dans un
four a des temperatures entre 900°- 1000°C. Us sont
assez poreux et sonnent quand on les frappe avec une
des articulations des doigts. Les carreaux baldosa dans
une chambre de combustion entoures d'isolation en
vrac est une autre option materielle disponible au
concepteur de fourneaux.
Option 2: Ceramiques
isolantes
Ces recettes visent a aider les promoteurs de
fourneaux qui produisent des ceramiques isolantes
pour des fourneaux a bois ameliores. Chacun de ces
materiaux comprennent de 1'argile qui agit comme
un agglomerant. L'argile forme une matrice autour
d'un materiau de remplissage et fournit 1'isolement.
Le materiau de remplissage peut etre leger et a
1'epreuve du feu (la pierre ponce, la perlite ou la
vermiculite) ou organique (charbon de bois ou sciure
de bois). Les materiaux organiques sont incineres et
laissent des espacements isolants dans la matrice
d'argile. De routes facon, 1'argile et le materiau de
remplissage sont melanges avec une quantite
predefinie d'eau et mis dans des moules pour creer
des briques. Les briques humides sechent, ce qui peut
exiger plusieurs semaines, et ensuite mises au four a
des temperatures usuelles dans les fours a poterie ou a
briques de I'Amerique centrale.
Nos echantillons pour essais ont etc realizes avec de
1'argile "raku" a feu reduit disponible aupres d'un
potier sur place. Dans d'autres pays, la meilleure
source d'argile est celle qu'utilisent les potiers ou les
briquetiers sur place. Presque partout, les gens ont
decouvert des melanges d'argile et des techniques de
cuisson pour creer des ceramiques solides. Les
ceramiques isolantes doivent etre legeres (faible
densite) pour assurer 1'isolation et la faible masse
thermique. En meme temps, il faut qu'elles soient
physiquement durables pour resister aux fissures et
aux abrasions creees par le bois qui est pousse au fond
du fourneau. Ces deux requis s'opposent: 1'ajout des
materiaux de remplissage au melange font une brique
plus legere et plus isolante, mais egalement plus
fragile. Ajouter de 1'argile augmente sa solidite et son
poids. Nous pensons qu'un bon compromis est une
brique dont la densite est entre 0,8 gm/cc and 0,4
gm/cc.
Les recettes du tableau 4 indiquent les proportions,
par poids, de divers materiaux. Nous recommandons
ces recettes comme point de depart de fabrication des
ceramiques isolantes. Des variations dans les argiles et
les materiaux de remplissage disponibles sur place
peuvent exiger des modifications aux proportions
pour obtenir des resultats meilleurs.
Tableau 4 - Ceramiques isolantes
Mat. remplissage Argile (humide)
Type Poids (gm) Poids (gm)
Sciure de bois
Charbon de bois
Vermiculite
Melange perlite
Melange pierre
ponce
490
500
300
807
1013
900
900
900
900
480
Eau
Poids (gm
1300
800
740
1833
750
Cuisson a
(degres C)
1050
1050
1050
1050
950
Densite
gr/cc
0.426
0.671
0.732
0.612
0.770
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Options pour les chambres de combustion
Les ceramiques isolantes employees dans les
fourneaux subissent des cycles thermiques frequents
(chauffage et refroidissement), ce qui peuvent
eventuellement produire des petites fissures que font
que le materiau s'emiette ou se brise. Toutes ces
recettes semble bien subir le cycle thermique. Non
obstant, le seul vrai essai consiste a les installer dans
un fourneau et a les utiliser pendan une longue
periode sous des conditions reelles de cuisson.
Sciure/Argile:
Selon cette elaboration, des sciures de bois fines
furent en tamisant des sciures plus grossieres (d'un
chantier de construction) avec un tamis 8 (2,36-mm).
De Fargile et de 1'eau furent melanges a la main pour
former une boue epaisse. De la sciure est ajoutee et le
materiau resultant coule dans des moules. Des
ceramiques isolantes d'excellente qualite peuvent etre
fabriquees avec de la sciure de bois ou d'autre
materiaux organiques fins comme les coques moulues
des noix de coco ou le fumier de cheval. L'obtention
de grands volumes du materiau approprie dans le
cadre d'une exploitation commerciale est un obstacle
a cette methode. Les residus des recoltes sont tres
difficiles de fragmenter en particules suffisamment
petites pour la production de briques.
Cette methode est une approche efficace dans les
endroits oil il y a des scieries ou des ateliers de
menuiserie qui produisent des grands volumes de
dechets de sciure.
Charbon/Argile:
Selon cette elaboration, du charbon de bois brut (pas
de briquettes) est reduit a une fine poudre en utilisant
un marteau ou une meuleuse. La poudre resultante
passe par un tamis 8. De 1'argile fut melange avec de
1'eau et du charbon fut ajoute en dernier. Une boue
assez liquide fut verse dans des moules et mise a
secher. II a fallu attendre plusieurs jours avant que le
materiau soit suffisament sec pour enlever le moule.
Des briques scenes furent cuites a 1050°C. Le
charbon est dispoinible virtuellement partout et sert
comme materiau de remplissage si d'autres ne sont
pas disponibles. Le charbon est plus facile a broyer
que les autres materiaux organiques. La plus grande
partie du charbon s'insinere hors de la matrice de la
brique. Le charbon restant est leger et isolant.
Les briques en charbon/argile on tendance a retrecir
plus que les autres materiaux pendant le sechage et la
cuisson. Le produit final semble etre leger et assez
durable, bien que des essais complets n'ont pas ete
realises pour ce materiau.
Vermiculite/Argile:
Selon cette elaboration, la vermiculite commerciale
(un additif du sol), qui passe facilement par un tamis
8 (2,36 mm), est directement melangee a de 1'eau et
de 1'argile et versee dans des moules. Le materiau est
seche et cuit a 1050°C
La vermiculite est un materiau leger, economique, a
1'epreuve du feu et resulte des depots mineraux
naturels dans plusieurs parties du monde. Elle peut
etre transformee en ceramiques isolantes solides et
legeres sans grand effort. La structure plate et en
forme de plaque des particules de vermiculite font
d'elle un materiau tres fort et tres resistant a la
chaleur.
La vermiculite semble etre un des meilleurs choix
possibles de fabrication de ceramiques isolantes.
Melante perlite/argile:
Pour les meilleurs resultats, la perlite doit etre
transformee en melange tamise avant de pouvoir la
combiner avec de 1'argile pour faire des briques. Pour
preparer ce melange, il faut d'abord separer la perlite
brute en trois trailles de composant : 9,5 mm a 4.75
mm, 4,75 mm a 2,36 mm, et 2,36 mm et plus fin.
Recombinez (par volume) deux parts de la taille plus
grande, une part de la taille moyenne et sept parts de
la taille plus petite pour creer le melange de perlite.
Ce melange peut etre maintenant combine avec de
1'argile et de 1'eau et forme en brique qui est ensuite
sechee et cuite.
La perlite est 1'obsidienne qui a ete chauffee jusqu'a
s'etaler et devenir legere. Elle s'utilise comme additif
du sol et materiau isolant. Les depots de perlite
existent dans plusieurs pays du monde bien que son
produit etale ne soit disponible que dans les pays
dotes d'installations « d'expansion ». Lorsque
disponible, elle est economique et abondante.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Options pour les chambres de combustion
Les briques de perlite/argile font partie des materiaux
en ceramique utlies les plus legers du monde.
Pierre ponce/argile:
La pierre ponce, comme la perlite, produit les
meilleurs resultats lorsque elle est transformed en
melange tamise. II est important que la pierre ponce
obtenue soit la plus legere possible pour le melange.
Le sable volcanique d'origine naturelle est un
composent ordinaire de la pierre ponce et peut etre
assez lourd et ne pas convenir aux ceramiques
isolantes. II faudra peut etre broyer les morceaux plus
larges de pierre ponce pour obtenier les tallies petites
necessaires. Le melange se prepare en separant la
pierre ponce en trois tallies: 12,5 mm a 4,75 mm,
4,75 mm a 2,36 mm, et 2,36 mm et plus petit. Dans
ce cas, les composants sont recombines (par volume)
selon la proportion de deux parts de la taille plus
grande, un part de la taille moyenne et quatre parts
de la taille plus petite. De 1'argile est ajoute a 1'eau et
melange pour former une boue fine. Le melange de
pierre ponce est ensuite ajoute et le materiau est verse
dans des moules. II se peut qu'il faudra exercer une
pression considerable pour que tout 1'air soit extrait
et pouvoir former une brique solide. Le moule peut
etre enleve immediatement et la brique peut secher
pendant plusieurs jours avant la cuisson.
La pierre ponce est largement disponible dans
plusieurs parties du monde, de plus elle est abordable
et abondante. La controle de la qualite exige une
attention minutieuse ce qui peut creer des difficultes
dans plusieurs endroits. II est tres facile de faire qu'un
brique isolante legere devienne une brique pesante et
non isolante si Ton manque de souci du detail. La
pierre ponce (ainsi que la perlite) sont sensibles aux
temperatures elevees (plus de 1100°C). Une caisson
excessive peut faire les particules de la pierre ponce
retrecir et devenir rouges, ce qui rendra un produit
inferieur. En depit de ces difficultes, la pierre ponce
est une facon excellente de fournir un grand nombre
de ceramiques isolantes tres abordables dans plusieurs
endroits du monde.
II existe grand nombre de recettes viables pour la
production de chambres de combustion en
ceramique refractaire legere. L'isolation autour du feu
aide 1'eau a bouillir plus vite, simplifie la tache
d'ignition du fourneau et economise du bois. II faut
creer des temperatures tres eleves dans une chambre
de combustion afain d'assainir les emissions
dangereuses. Malheureusement de telles temperatures
elevees degradent vite les metaux, meme 1'acier
inoxydable. Les ceramiques isolantes refractaires sont
un materiau durable et qui ne reduit pas les
temperatures de combustion comme le font les
materiaux a masse thermique plus haute.
29
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Essai pratique d'ebullition
Chapitre 5
Essai pratique d'ebullition
Get essai fournit au concepteur de fourneaux des
renseignements fiables concernant le rendement des
modeles de fourneaux a bois. L'essai comporte trois
phases qui determinent la capacite du fourneau de :
(1) porter a ebullition 1'eau a partir d'un depart a
froid ; (2) porter a ebullition Feau quand le fourneau
et chaud; et (3) conserver la temperature de 1'eau a
petit feu. Get essai permet d'evaluer une serie de
fourneaux pendant leur developpement. Get essai ne
sert pas a comparer des fourneaux d'endroits
differenr.es car les marmites et le bois diverses peuvent
modifier les resultats.
Get essai est une version simplified de Fessai
d'ebullition d'eau standard VITA revise par
FUniversite de Californie a Berkeley (UCB)/Shell
FOundation Le bois utilise pour faire bouillir et
mijoter Feau, ainsi que le temps d'ebullition sont
determines par une simple soustraction. Tous les
calculs peuvent etre faits manuellement sur place.
En utilisant une marmite standard, et tenant compte
du contenu d'humidite du bois, la vapeur generee,
ainsi que d'autres facteurs Fessai complet d'ebullition
d'eau de UCB/Shell Foundation rend possible la
comparaison de fourneaux de differents endroits.
Avant de commencer les essais...
1. Reunissez au nioins 30 kg de carburant seche a
Pair pour chaque fourneau a essayer afin d'etre
sur qu'il y a suffisamment de carburant pour les
trois essais de chaque fourneau. Les grands
fourneaux a plusieurs marmites peuvent
requerir un plus grand volume de carburant.
Utilisez du bois uniformement sec et de la
meme taille. N'utilisez pas du bois vert.
2. Versez 5 litres d'eau dans la marmite d'essai et
porter Feau a ebullition forte. Verifiez que le feu
est tres puissant et que Feau bout vivement!
Utilisez un thermometre numerique precis, exact a
1/10 de degre, pour mesurer la temperature
d'ebullition locale. Placez la sonde du
thermometre au centre de la marmite d'essai, 5 cm
au dessus du fond de la marmite. Enregistrez le
point d'ebullition local sur la fiche technique (voir
la page 34).
3. Effectuez les essais dans urt endroit completement
protege du vent.
4. Inscrivez tous les resultats sur la fiche technique.
Materiel utilise pour I'essai pratique
d'ebullition :
• Balance d'au moins 6 kg de capacite et 1
gramme de precision
• Coussinet resistant a la chaleur pour
proteger la balance
• Thermometre numerique, exact a 1/10 de
degree, avec des sondes thermocouple
pouvent s'immerger dans des liquides
• Minuterie
• Marmite(s) d'essai
• Accessoire en bois pour tenir la sonde de
thermometre dans I'eau
• Pelle/spatule de petite taille pour extraire le
charbon du fourneau
• Pince pour le charbon
• Pelle a poussiere pour transporter le
charbon
• Plateau en metal pour peser le charbon
• Gants resistants a la chaleur
• 3 fagots de bois carburant seche a I'air Une
fagot pour mijoter pesant a peu pres 5 kg
Les autres deux fagots serviront a porter
I'eau a ebullition d'un depart a froit et d'un
autre a chaud et seront de 2 kg chacun
approximativement.
30
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Essai pratique d'ebullition
Debut de I'essai
a. Inscrivez la temperature de 1'air.
b. Inscrivez le poids de la marmite d'usage comrnun
sans couvercle. Si plus d'une marmite sera utilisee,
inscrivez le poids de chacune. Si les poids sont
differents, assurez vous de ne pas confondre les
marmites a mesure que progresse I'essai. N'utilisez
pas de couvercles, pour cette partie, ou toute
autre, de I'essai.
c. Inscrivez le poids du conteneur de charbon.
d. Preparez 2 fagots de bois de carburant de 2 kg
chacum approximativement pour les essais a haute
puissance de departs a froid et a chaud. Preparez
un fagot de bois de carburant de 5 kg
approximativement pour le test ou 1'eau mijote.
Utilisez des morceaux de bois qui sont plus ou
moins semblables pour tous les essais. Inscrivez les
dimensions approximatives du bois de carburant.
Pesez et inscrivez les poids dans les espaces
marques No. dans la fiche technique adjointe.
Identifiez chaque fagot et gardez les separes.
Phase a haute puissance (depart a froid):
Le fourneau doit etre a temperature ambiante.
1. Remplissez chaque marmite avec 5 litres d'eau
propre (-20°C). Inscrivez le poids de la ou des
marmites plus 1'eau.
2. Utilisez les accessoires en bois pour poser une
sonde de thermometre dans chaque marmite de
facon a ce que la temperature de 1'eau puisse etre
mesuree au centre et a 5 cm du fond. Verifiez que
vous Utilisez un thermometre numerique.
Inscrivez les temperatures de 1'eau.
3. Inscrivez le poids de chaque materiau de depart.
Utilisez toujours le meme materieau et la meme
quantite.
4. Allumez le feu avec le bois du premier fagot de 2
kg-
5. Une fois que le feu est allume, demarrez la
minuterie et inscrivez « 0 ». Si vous Utilisez une
montre, inscrivez 1'heure du depart. Porter
rapidement 1'eau a ebullition sans trop
consommer de carburant.
6. Lorsque 1'eau de la premiere marmite atteint la
temperature d'ebullition local telle que 1'indique le
thermometre numerique, faites vite ce qui suit:
a. Inscrivez 1'heure a laquelle 1'eau de la marmite
principale (marmite 1) a atteint le point local
d'ebuillition. Inscrivez egalment la temperature
de 1'eau des autres marmites.
b. Enlevez tout le bois du fourneau et eteignez le
feu. Secouez tout le charbon qui se degage des
bouts de bois dans le plateau pour peser le
charbon.
c. Pesez le bois non brule du fourneau aevc le bois
restant du fagot prepese. Inscrivez le resultat.
d. Pesez chaque marmite, remplie d'eau. Inscrivez
le poids.
e. Enlevez tout le charbon du fourneau, placez-le
avec le charbon secoue des morceaux de bois et
pesez 1'ensemble. Inscrivez le poids du charbon
et du conteneur.
Ceci acheve la phase a haute puissance (depart a
froid). Passez sans interruption a la phasse a haute
puissance (depart a chaud) de I'essai. Ne laissez pas
refroidir le fourneau.
Phase a haute puissance (depart a
chaud):
1. Versez 5 litres d'eau fraiche froide dans les
marmites. Pesez les marmites (avec 1'eau) et
mesurez les temperatures premieres de 1'eau.
Inscrivez les valeurs.
2. Allumez le feu avec les branches et les buches du
premier fagot de 2 kg. Inscrivez le poids de
chaque materiau supplementaire de depart.
3. Inscrivez 1'heure a laquele le feu commence et
porte a ebullition la premiere marmite sans
consommer excessivement de carburant.
4. Inscrivez 1'heure a laquelle la premiere marmite
atteint le premier point local d'ebullition.
Inscrivez la temperature de routes les marmites.
31
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Essai pratique d'ebullition
5. Une fois atteinte la temperature d'ebullition, faites
vite ce qui suit:
a. Enlevez tout le bois du fourneau et secouez
tout le charbon que se degage dans le conteneur
de charbon. Pesez le bois extrait du fourneau
avec le bois restant du second fagot. Inscrivez
le resultat.
b. Pesez chaque marmite, avec son eau, et
inscrivez chacun de ces poids.
6. Enlevez tout le charbon restant du fourneau et
pesez-le (y compris le charbon degage des
morceaux de bois). Inscrivez le poids du charbon
et du conteneur.
Passez directement, sans interruption, a 1'essai de
mijotage.
Essai a faible puissance (mijotage)
Cette phase est concue pour eprouver la capacite du
fourneau a faire mijoter de 1'eau en utilisant le moins
de feu possible. Utilisez le fagot de 5 kg pour porter
1'eau a ebullition. Inscrivez ensuite le poids du bois
restant et faite mijoter 1'eau pendant 45 minutes
supplementaires.
Uniquement la marmite principale sera utilisee
pour le rendement du mijotage.
Demarrage de 1'essai a faible puissance :
1. Inscrivez le poids du fagot de 5 kg.
2. Versez a nouveau 5 litres d'eau froide dans la
marmite. Pesez la marmite (avec 1'eau). Inscrivez
le poids. Inscrivez la temperature.
3. Reattisez le feu avec les branches et les buches du
fagot pese. Inscrivez le poids de chaque materiau
supplementaire de depart. Remplacez la marmite
sur le fourneau et inscrivez 1'heure du debut du
feu.
4. Porter rapidement 1'eau a ebullition sans trop
consommer de carburant. Des que la temperature
locale d'ebullition est atteinte, suivez les etapes ci-
apres rapidement et soigneusement.
5. Inscrivez 1'heure d'ebullition et la temperature.
Pesez vite 1'eau de la marmite principale et reposez
la marmite sur le fourneau. Inscrivez le poids de
la marmite plus 1'eau. Inscrivez le poids restant du
fafot de 5 kg. Remettez le thermometre dans la
marmite et poursuivez 1'essai de mijotage en
diminuant la puissance du feu. Conservez Veau le
plus pres possible de 3°C sous le point
d'ebullition.
6. Inscrivez la temperature de 1'eau.
7. Inscrivez 1'heure. Pendant les 45 minutes qui
suivent, conservez le feu a un niveau qui
maintienne la temperature de 1'eau le plus pres
possible de 3°C en dessous du point d'ebullition.
8. Apres 45 minutes faites vite ce qui suit:
a. Inscrivez le temps d'arret de 1'essai (ce qui doit
etre 45 minutes).
b. Inscrivez la temperature de 1'eau a la fin de
1'essai.
c. Enlevez tout le bois du fourneau et secouez
tout le charbon que se degage dans le conteneur
de charbon. Pesez le bois restant, y compris le
bois non utilise du fagot prepese. Inscrivez le
poids du bois.
d. Pesez la marmite avec 1'eau restante. Inscrivez
le poids.
e. Enlevez tout le charbon restant du fourneau et
pesez-le (y compris le charbon degage des
morceaux de bois). Inscrivez le poids du
charbon et du conteneur.
Ceci finalise 1'essai complet d'ebullition d'eau. Des
resultats precis exigent que le e test complet soit etre
realise au moins trois fois pour chaque fourneau.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Essai pratique d'ebullition
Des temperatures que variant vers le haut out vers le bas est acceptable, mais :
1. La personne qui fait I'essai doit veiller a ce que la temperature de I'eau qui mijote soit le plus
proche possible de 3°C sous le point local d'ebullition.
2. L'essai n'est pas valable si la temperature dans la marmite subit une chute de plus de 6°C en
dessous de la temperature d'ebullition.
3. La personne faisant I'essai ne doit pas couper le bois en morceaux plus petits pour essayer de
reduire la puissance.
ANALYSE DES RESULTATS :
• Calculez le temps requis pour I'ebullition a
partir d'un depart a froid, un depart a chaud et
pour la phase d'ebullition du test de mijotage.
• Calculez I'usage du bois en soustrayant la bois
restant a la fin de chaque phase du poids de
depart. Faites ceci pour la haute puissance a
depart a froid, la haute puissance a depart a
chaud, la phase d'ebullition de I'essai de
mijotage et pour la cuisson a feu doux.
• Calculez le volume d'eau perdu a la vapeur pour
chacune des quatre phases en soustrayant le
podis restant du poids de I'eau au depart.
• Faites de meme pour le charbon produit.
• Utilisez ces chiffres pour evaluer le rendement
du fourneau. Modifiez la conception du
fourneau pour reduire I'usage de bois et creer
moins de charbon. Une grande production de
charbon est signe de combustion pietre.
• Le calcul de la vapeur perdue est une methode
efficace pour verifier que le rendement est
semblable pendant toutes les phases.
Normalement, la phase a haute puissance de
depart a chaud utilise enormement mois de
carburant et le temps d'ebullition est plus rapide
que celui de la phase a haute puisssance de
depart a froid. S'il existe des differences serieuses
entre les poids inscrits pour I'usage du bois, le
temps d'ebullition et la vapeur perdue entre les
phases 2 et 3, nous recommandons de repeter la
procedure d'essai en veillant a alimenter le feu
sans d'aussi grandes variations.
• La vapeur perdue pendant la phase de mijotage
est une bonne facon d'indiquer la capacite des
fourneaux a bien fonctionner quand ils sont
utilises a basse puissance. II est difficile de creer
un fourneau qui puissi vite bouillir I'eau et bien
mijoter sans utiliser beaucoup de carburant.
Cependnat, vu que la plus grande partie du
temps de cuisson a lieu a basse puissance
(mijotage), les plus grandes economies de
carburant peuvent se realiser avec un fourneau
qui economise du carburant pendant la cuisson
a feu doux. Des grandes quantites de vapeur
produites pendant la cuisson a feu doux indique
que le fourneau a des difficultes a passer de la
haute puissance requise pour vite bouillir I'eau a
la basse puissance requise pour le mijotage.
Essayer de modifier la conception pour que le
fourneau qui maintienne sans difficulte le
mijotage a feu doux tout en satisfaisant les
cuisiners avec une ebullition rapide.
N'oubliez pas que les resultats de cet essai ne servent
pas a comparer des fourneaux mis a I'essai a d'autres
endroits. L'essai complet de UCB/Shell Foundation
devrait server a de telles fins.
Pour de plus amples informations, visitez le site
Internet de Aprovecho wwwjVprovecho.net ou bien
contactez nous a I'adresse ci-apres:
Aprovecho Research Center
80574 Hazelton Rd.
Cottage Grove, OR 97424
(541) 942-8198
33
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co
Fiche technique
Date | |
point local d'ebullition
temperature de I'air
dimensions du bois
poids marmite 1
poids marmite 2
poids conteneur de charbon
Numero d'essai | |
Fourneau | |
Remarques : FICHE DE CALCUL ET DE DONNEES
«ESSAI EBULLITION EAU » SUR PLACE
Tous les espaces doivent etre remplis
Les resultats de 2 et 3 doivent etre semblables.
Les fourneaux meilleurs utilisent moins de bois et produisent moins
L'ebullition rapide est usuellement appreciee par les cuisiniers.
FAGOT 1-2 KG
temps
poids bois
temperature eau marmite 1
temperature eau marmite 2
poids marmite 1 plus eau
poids marmite 2 plus eau
poids feu allumeur
haute puiss.
demar. froid
2 - 2 kg haute puiss.
demar. chaud
3 - 5 kg porter a ebullition 4 mijoter 45
minutes
debut
fin
debut
fin
debut fin
debut
fin
A
B
#G
H
I
N
0
C
#l
ID
j
I
I
P
IQ
I#K
IR Is
LL
poids charbon et conteneur
V
X
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Fiche de calcul
Fiche de calcul
Temps d'ebullition:
= B - A = Temps pour porter a ebullition pour la phase a haute puissance de depart a froid
= D - C = Temps pour porter a ebullition pour la phase a haute puissance de depart a chaud
= F - E = Temps pour porter a ebullition pour la phase d'ebullition du mijotage
Usage de bois:
= G - H = Usage de bois pour la phase a haute puissance de depart a froid
= I - J = Usage de bois pour la phase a haute puissance de depart a chaud
= K - L = Usage de bois pour la phase d'ebullition du mijotage
= L - M = Usage du bois pour la phase de cuisson a feu doux
Eau convertie en vapeur:
= N - 0 = Eau perdue a la vapeur pour la phase a haute puissance de depart a froid
= P - Q = Eau perdue a la vapeur pour la phase a haute puissance de depart a chaud
= R - S = Eau perdue a la vapeur pour la phase d'ebullition du mijotage
= S - T = Eau perdue a la vapeur pendant la phase de cuisson a feu doux
Charbon produit:
= U - Y = Charbon produit pendant la phase a haute puissance de depart a froid
= V - Y = Charbon produit pendant la phase a haute puissance de depart a chaud
= X - V = Charbon produit ou consume pendant la phase de cuisson a feu doux
(Si ce chiffre est positif, le charbon supplemental a ete produit pendant la
cuisson a feu doux, tandis que si ce chiffre est negatif, le charbon a ete consume
pendant la phase de cuisson a feu doux.)
35
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Annexe: Glossaire
Annexe
Glossaire
Baldosa—Un carreau de sol en ceramique
abordable d'a peu pres 1,5 cm d'epais et qui
peut etre coupe ou moule pour former une
chambre de combustion.
Couche limite—Une couche tres mince d'air qui se
deplace lentement et qui est directement
attenante a la surface de la marmite. Elle isole
la marmite des gaz de combustion chauds et
diminue la quantite de chaleur qui passe a la
marmite.
Charbon—Un materiau noir et poreux dont la
majorite du contenu est du carbone produit par
la combustion de bois et d'autres biomasses.
Convection—L'echange thermique dans un gaz ou
un liquide par le mouvement d'air ou d'eau.
Chambre de combustion—La zone du fourneau
ou le carburant est brule.
Rendement de combustion—Le pourcentage de
I'energie de la chaleur du carburant degagee par
la combustion. Le rendement de combustion se
rapporte a la quantite d'energie de la biomasse
qui est convertie en energie de chaleur (ou
pouvoir thermique du combustible).
Tirage—Le mouvement de 1'air a travers un
fourneau et qui monte par la cheminee.
Emissions—Les sous-produits du processus de
combustion degages dans 1'air.
Exces d'air—La quantite d'air en exces du volume
d'air necessaire pour assurer la combustion
complete.
Puissance—Le taux de consommation du
carburant, qui s'exprime normalemtn en kg-
carburant/heure.
Gaz de combustion—Les gaz chauds qui
s'ecoulent de la chambre de combustion hors
de la cheminee (le cas echeant).
Rendement du carburant—Le pourcentage de
I'energie thermique du carburant qui sert a
chauffer des aliments ou de
eau.
Grille—Une structure de barres ou de maille qui
sert a garder en place le carburant ou les
aliments d'un fourneau, poele ou foyer.
Caisse isolante—Un contenant isole plus ou
moins hermetique qui conserve la temperature
de la marmite et permet d'achever la cuisson
des aliments apres avoir enleve la marmite du
fourneau.
Efftcacite de I'echange thermique—Le
pourcentage de chaleur degagee par la
combustion qui accede a la marmite.
Fourneau massif-—Un fourneau fait de materiaux
non isoles comme la terre, 1'argile, la fonte ou
d'autre materiau lourd exigeant beaucoup
d'energie pour se chauffer pendant la cuisson.
Haute puissance—Un mode de fonctionnement
visant a bouillir 1'eau le plus vite possible ; la
puissance la plus haute a laquelle le fourneau
peut fonctionner.
Faible puissance—Un mode de fonctionnement
visant a mijoter 1'eau ou la nourriture ; la
puissance la plus faible a laquelle le fourneau
peut fonctionner et maintenir une flamme et
mijoter la nourriture.
Jupe de marmite—Un cylinder, une tole d'acier
d'habitude, qui entoure la marmite et forme un
espacement etroit pour que plus de chaleur des
gaz de combustion passe a la marmite.
Chaleur conservee—Energie thermique qui
chauffe les enceintes autour du feu et qui ne
s'echappe pas ; cette energie sert egalement
comme chauffage.
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Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois
Annexe: Glossaire
Vermiculite—La vermiculite est un materiau leger,
economique, a 1'epreuve du feu et resulte des
depots mineraux naturels dans plusieurs parties
du monde. Elle peut etre transformed en
ceramiques isolantes solides et legeres sans
grand effort. C'est un materiau tres solide et
resisant a la chaleur et semble etre un des
meilleurs choix possibles pour la production de
ceramiques isolantes.
Essai d'ebullition d'eau—Un essai qui sert a
mesurer le rendement general d'un fourneau.
Get essai d'ebullition d'eau comprend
differentes versions. En general il consiste de
trois phases qui sont: (1) porter Feau a
ebullition d'un depart a froit; (2) porter 1'eau a
ebullition quand le fourneau est chaud ; et (3)
conserver 1'eau a des temperatures de mijotage.
38
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Aprovecho Research Center
SHELL
FOUNDATION
vvEPA
Office of Air & Radiation
(6609J)
United States
Environmental Protection
Agency
EPA-402-K-07-005
April 2007
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