402K07005 Principes de conception des fourneaux de cuisine a bois Aprovecho Research Center Shell Foundation Partnership for Clean Indoor Air ------- 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 ------- 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 ------- ------- 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 ------- 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. ------- 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. ------- 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%. ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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 23 ------- 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 24 ------- 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. 25 ------- 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). 26 ------- 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 27 ------- 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. 28 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- 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. 32 ------- 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 ------- 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 ------- 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 ------- ------- 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. 37 ------- 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 ------- ------- Aprovecho Research Center SHELL FOUNDATION vvEPA Office of Air & Radiation (6609J) United States Environmental Protection Agency EPA-402-K-07-005 April 2007 ------- |