Extracteur de Chaleur

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Insert01.jpg
Ec vueEns01.jpg


Introduction - Problématique

La problématique de ce projet est celle de la transformation, par habillage externe et par circulation d'air, d'un insert nu (image tout en haut à droite), en un poêle ou simili-kachelofen efficace et fonctionnel (... et pas trop vilain).

Dans le cas du présent projet, on considère un insert adossé à un mur (à distance réglementaire cela va de soit), par opposition à un foyer qui serait au centre d'une pièce.
Dans le cas d'un insert adossé, on peut considérer en 1° approximation que la partie frontale de l'insert et ses parties latérales, effectuent une bonne part de diffusion de chaleur de façon suffisamment efficace. C'est surtout sur la partie arrière de l'insert qu'il y a lieu de faire porter les efforts.
Le mur en partie arrière de l'insert réalise de facto un blocage et une concentration de la chaleur derrière l'insert. S'il faut chercher une source intense de chaleur à récupérer, c'est d'abord ici qu'il faut commencer. (avant par exemple de songer à enfermer eg les parois latérales).

Il y a des solutions intéressantes, réalisées par des particuliers, avec récupération de chaleur dans l'insert.
Il y a aussi évidemment des solutions intéressantes avec circulation d'eau. Extracteur de chaleur à eau
Mais ces options techniques ne sont pas l'objet du présent projet (même si elles sont compatibles). (Ceux que ça intéresse ... ouvrez svp plutôt un projet à part)

Au moins 3 types d'efficacité sont recherchées ici :

  • efficacité dans la récupération de la chaleur produite par l'insert.
  • efficacité dans l'agencement / design du poêle (pour cuisson, chauffe-plat, etc) (Rappelons que l'énergie consommée pour la cuisson/chauffage des aliments est l'un des gros postes énergétiques d'un ménage).
  • efficacité dans la simplicité. Pas de régulation, soupapes, etc. Le maximum de rentabilité obtenable avec un minimum de complexité (plaques métalliques, tuyaux, boulons, etc)

Précisons aussi que l'insert du présent projet est un modèle de 140kg donné pour 14,6Kw nominal et 20,0Kw maxi. Modèle superchauff de Godin. http://opentruc.fr/share/va/foyerfermcar.php (et voir autres liens).


Mots-clés : revamping, reconversion, hack, insert, poêle, kachelofen,


Projets annexes

Banquette chauffante
Extracteur de chaleur à eau (en tout démarrage)


Solutions existantes

Pas grand chose ! Le sur-mesure est quasi obligatoire, très simplet, et pas donné. Une multitude de produits ne sont que des imitations de cheminées anciennes avec un insert à la place de la cheminée. La fonctionnalité n°1 de ces "fausses cheminées" est l'imitation de l'ancien avec très peu de recherche d'optimisation de l'insert lui-même

On peut mentionner à ce propos que la plupart des documentations de produits commerciaux (notices de montage d'insert et de cheminées avec insert) font totalement l'impasse sur la source de l'air destiné à être réchauffé. Et pourtant, si l'air réchauffé par l'insert est puisé en fait à l'extérieur (ce qui sera le cas si la source d'air du foyer est libre et tout près du foyer (le cas général)) ... c'est un gâchis total. Prenons le cas où l'air extérieur est à -15° et où l'air intérieur le plus froid est à +10°, il y a déjà 25° à rattraper, et cela juste pour arriver au niveau de l'air intérieur le pire ! C'est un gaspillage absurde.


Un extracteur Open Source DIY, pourquoi ?

  • ... tout bêtement car quasi pas de solutions existantes
  • car une solution simplette avec un carter simplet est déjà performante, et laisse entrevoir qu'il y a probablement moyen d'optimiser encore et d'extraire encore plus de chaleur.
  • car il semble possible de bricoler quelque chose de façon pas trop compliquée et avec des éléments du commerce
  • car l'un des intérêts d'un insert est sa confortable largeur (pas toujours le cas des poêles)
  • car le changement insert -> poêle concerne pas mal de monde, et que ça peut intéresser tous ceux qui ne veulent pas de la solution poubelle + rachat.


Cahier des charges général

  • efficacité dans la récupération de la chaleur produite par l'insert.
  • efficacité dans l'agencement / design du poêle (pour cuisson, chauffe-plat, etc) (Rappelons que l'énergie consommée pour la cuisson/chauffage des aliments est l'un des gros postes énergétiques d'un ménage).
320px-Convection casserole.png
  • efficacité dans la simplicité. Pas de régulation, soupapes, etc. Le maximum de rentabilité obtenable avec un minimum de complexité (plaques métalliques, tuyaux, boulons, etc).

Si possible l'extraction de chaleur devra se faire de manière naturelle par convection. (Si la convection ne suffit pas, on peut parfaitement envisager de forcer les flux d'air par ventilation. Mais dans un 1° temps on mise sur la convection naturelle).

  • assemblage / démontage facile / accessibilité

En particulier, un insert est une pièce lourde (150kg typiques) et donc pas facile à déplacer. Et bricoler autour de l'insert (derrière, dessous, sur les cotés) n'est pas super commode. Il faut donc veiller à ce que montage/démontage/maintenance ne soient pas trop compliqués.

  • assemblage de pièces standards, pas trop coûteuses,
  • versatilité : pouvoir réaliser des variations (forks) facilement,
  • adaptabilité (pouvoir réaliser le même machin en plusieurs tailles)

Ce cahier des charges deviendra plus technique selon les pistes de solutions qui émergeront.


Considérations sur l'échangeur de chaleur

Circulation d'air sur la source de chaleur

Dans le présent projet, on mise dans un 1° temps sur une circulation d'air naturelle, ie 100% par convection. Pour optimiser les conditions de mise en place d'une telle convection, une des 1° conditions est de prendre l'air le plus froid possible disponible à l'intérieur de l'habitation (mais surtout pas d'aller puiser involontairement de l'air extérieur !). Cela implique de maitriser/contraindre un minimum les flux d'air. L'extraction/échange de chaleur se fait ici par circulation d'air canalisé dans des tuyaux.

Nombre de tuyaux

Qu'est ce qui est le plus efficace pour l'extraction de chaleur ? moins de tuyaux de gros diamètre ou plus de tuyaux de petit diamètre ?
Sauf erreur, c'est le ratio surface d'échange / volume d'air débité, qui compte. C'est par définition via la surface d'échange en contact avec la masse d'air chaud que s'effectue l'échange de chaleur. A volume d'air débité égal, la solution avec la plus grande surface d'échange est la meilleure.

Calcul simplifié :
1 tuyau de longueur 100 cm et section carrée 2cm x 2cm : surface externe = (2x100x4)cm2 = 800cm2
4 tuyaux de longueur 100 cm et section carrée 1cm x 1cm : surface externe = (4x4x100)cm2 = 1600cm2

En négligeant les pertes de charge, pour un même débit, employer plus de tuyaux plus petits permet d'augmenter la surface d'échange.

NB: des tuyaux de section carrée 1cmx1cm ou section ronde se trouvent dans tous les bons bricomachins.

Positionnement/agencement des tuyaux

Pour maximiser la récupération de chaleur, les tuyaux de l'extracteur doivent être disposés là où la chaleur est la plus concentrée et de préférence perpendiculairement au flux de chaleur.

Pour un insert adossé à un mur, il peut être intéressant de placer 2 ou 3 couches de tubes verticaux entre le mur et l'insert. La chaleur y est en effet intense et cela prend peu de place (épaisseur = 12.5mm ou 15mm).
Tout contre le mur, ie l'échangeur le plus profond, on peut carrément complètement tapisser le mur, chaque tube accolé à ses voisins, puisqu'il n'y a pas d'autres échangeur derrière.

Prenons le cas d'un tube d'amenée d'air de diamètre intérieur 6cm, ie section de 28cm2. Considérons des tubes de récupération de chaleur en cuivre de diamètre intérieur 1cm, ie de section de 0.78cm2. Si on veut conserver la section de 28cm2, on doit employer 35 tubes. Les tubes en cuivre ont un diamètre externe de 1.25cm. 35 tubes placés à plat et accolés occuperont une largeur de 43.75cm.
Si on utilise plus de 35 tubes, selon la puissance de la convection, l'amenée d'air froid pourra s'avérer insuffisante pour fournir l'aspiration créée. Il y aura alors sans doute accélération de la vitesse de circulation de l'air, ou prélèvement d'un autre air que celui canalisé si le circuit n'est pas étanche.
Si on utilise moins de 35 tubes, l'amenée d'air froid devrait normalement s'avérer suffisante pour fournir l'aspiration créée.

Pour un tube d'amenée d'air PVC de diamètre externe 5cm. Son diamètre interne est de 4.3cm et sa section utile est donc de 14.5cm2. Cette section peut donc a priori alimenter environ 17 tubes cuivre.

Section des tuyaux des échangeurs
On a déjà vu que la plus petite section maximise l'échange (mais les contraintes économiques de coûts restent réelles).
L'air chaud se dilatant, on peut aussi se poser la question de l'intérêt d'augmenter le diamètre des tuyaux coté sortie, une fois que la source de chaleur est dépassée ? Ne serait-ce que pour justement faciliter sa circulation.
Avec les tuyaux cuivre, cela est facile à réaliser à l'aide de manchons adaptateurs pour passer d'un diamètre à un autre. Et ici, pas besoin de soudures.


échangeurs multi-couches:
On part de l'hypothèse que les tuyaux sont disposés en plusieurs couches (Il serait étonnant qu'une seule couche arrive à extraire toute la chaleur de l'insert). Il faut alors veiller à ce que chaque couche intercepte/prélève un maximum de chaleur, mais laisse néanmoins l'excédent de chaleur (ce qu'elle n'arrive pas à prélever) circuler vers les autres couches.


Contraintes

Elles sont nombreuses !
Pertes de charge : Concernant le volume d'air débité, les pertes de charge (ie pertes de débit dues aux frottements) http://fr.wikipedia.org/wiki/Perte_de_charge entrent en compte. L'agencement du ou des tuyaux, leur géométrie et orientation rentrent aussi en compte.

contraintes économiques : Le coût des tuyaux en cuivre n'est ainsi pas linéaire selon le diamètre. Economiquement, les tuyaux cuivre les plus intéressants sont en diamètre 10mm ou 12mm.

Condensation possible ? : D'où démontabilité souhaitable.


Réalisation pratique

Une fois l'insert en place, il est difficile de le bouger (compter 150kg typiquement). Et, dans le cas courant d'un insert adossé contre un mur, le bricolage autour de l'insert est malcommode.
Par ailleurs, dans le cas du présent projet, il est difficile voire impossible de calculer théoriquement ou de réaliser une simulation numérique pour connaitre les résultats de tel ou tel choix d'agencement. Il faut tester in situ.
Le montage des extracteurs doit prendre cela en compte et faciliter au maximum le démontage/maintenance. Il faut éviter d'employer des boulons/vis inatteignables et autres joyeusetés. Il y a des choses très faciles à faire quand l'insert n'est pas en place ... et qui sont beaucoup plus compliquées une fois l'insert posé.
Sachant qu'il n'y a normalement pas trop d'efforts mécaniques en jeu, on peut par exemple penser à des fixations au moyen d'aimants ?


Amenée(s) d'air pour l'extracteur

A proximité de toute cheminée ou de tout poêle qui se respecte, il y a une entrée d'air froid extérieur, air froid qui pénètre dans le foyer, assure la combustion et s'évacue par le conduit de cheminée. Il serait parfaitement contre-productif d'employer cet air extérieur (bien froid en hiver) pour alimenter notre extracteur.
Idéalement il faudrait prendre l'air le plus froid DANS la maison pour le faire passer par l'extracteur. On est donc obligé de veiller à séparer au mieux l'entrée d'air externe du foyer, et les prises d'air de l'extracteur. C'est une contrainte pas triviale, car en général la prise d'air externe est près du poêle, et quand le foyer est allumé, un flux d'air froid bien réel s'établit entre la prise d'air et le foyer, selon le trajet le plus court.
Toute aspiration trop près de ce flux froid, risque d'en avaler une partie.

Solution 1 : canaliser au mieux le flux froid prise externe -> foyer
Solution 2 : canaliser au mieux le flux tiède prise interne -> extracteur
Solution 3 : faire 1/ et 2/

Je pense qu'on peut carrément envisager d'employer tuyaux + robinetterie pour vraiment contrôler précisément la gestion des flux d'air.
Sauf au contact immédiat, il ne fait jamais très chaud sous l'insert. Il n'y a donc pas forcément besoin là de tuyaux en acier. Des tuyaux souples sont envisageables si ça simplifie les choses. (NB: Il existe des raccords souples pour les tuyaux PVC).

NB : Par ailleurs, si on souhaite alimenter une pièce individuelle close en air réchauffé, une façon de faciliter les choses est évidemment (forcément) d'y prélever l'air "froid" à réchauffer.
Si on ne procède pas ainsi, ie si on prélève l'air "froid" ailleurs que dans la pièce où on veut l'injecter, et qu'on y injecte directement l'air chaud, cela créera forcément une surpression d'air, qui s'opposera à l'entrée d'air chaud supplémentaire.


Raccords amenées/extracteur

Les arrivées d'air canalisé pour l'extracteur de chaleur posées sur le sol peuvent très bien être en simple PVC. La température sous l'insert n'est en effet jamais très élevée, même quand il tourne à plein régime. A fortiori au ras du sol.
Par contre, les tuyaux/tubes de l'extracteur lui-même sont en cuivre ou acier. Selon la proximité des tubes en cuivre/acier avec le foyer, ceux ci peuvent devenir localement très chauds, puis par conduction chauds sur toute leur longueur. Il peut donc y avoir un souci d'échauffement (odeur etc) s'il y a contact direct avec du PVC.
Comment régler ce problème ?
Envisager une pièce intermédiaire ? Laisser un court espace (quelques millimètres) entre tubes cuivre/acier et tubes PVC, pour couper toute propagation de chaleur par conduction ? Faire la jonction "sous cloche" (pour maintenir le caractère canalisé de l'air amené).

Pratiquement :
Une façon de raccorder proprement et de manière quasi étanche les tubes PVC et les tubes cuivre est de chauffer un tube cuivre et de l'emmancher de force sur le tube PVC. Il y a ainsi formation d'un bourrelet de matière qui renforce l'étanchéité. On peut ainsi, en perçant le tube PVC à la manière d'une flute, emmancher plein de tuyaux en cuivre dessus.
On peut aussi simplement percer le tube PVC avec une mèche du diamètre correspondant, mais il n'y a alors pas de bourrelet.

Amenée d'air pour le foyer

Il s'agit d'air froid, prélevé à l'extérieur. Traditionnellement, on réalise un trou à proximité du foyer (pour éviter un effet courant d'air), et la taille du trou est proportionnelle au débit du foyer.
Dans notre cas, comme indiqué au paragraphe précédent, il ne faut surtout pas que l'extracteur de chaleur utilise de l'air froid du dehors. Pour éviter cela on peut réaliser l'amenée d'air froid au foyer de façon 100% canalisée et forcée.

Pour l'insert réel considéré ici, celui-ci est muni de 2 registres d'alimentation d'air secondaire dont l'ouverture maximale fait 27cm2. Pour minimiser les coudes, et dans le cas d'un bâti adossé au mur, on peut imaginer de tirer des tuyaux rigides tout droits, en perçant le mur à la hauteur des registres. Dans le cas du présent projet, c'est la solution qui a été retenue.
On a employé 2 tuyaux en acier de section rectangulaire, qui amènent l'air juste sous les registres. (Ces 2 tuyaux ont été formés par emboitement de 2 barres de section U. Ils sont suffisamment solides pour supporter sans souci l'insert). Cette solution est intéressante non seulement par rapport à la question de l'alimentation du foyer, mais aussi car, en déportant l'entrée d'air extérieur à portée de main, elle permet de maitriser commodément et en permanence l'arrivée d'air.

EC entreesAir03.jpg


EC entreesAir01.jpg



Solutions techniques pour l'échangeur de chaleur

Pour la mise en oeuvre, je pense à disposer des tuyaux de section carrée ou ronde, parallèlement, en plans ("lyres"). Soit serrés. Soit écartés, de manière à pouvoir superposer plusieurs plans, mais que l'air chaud puisse circuler et enrober les tuyaux.
L'échangeur de chaleur serait ainsi en réalité constitué de plusieurs échangeurs modulaires indépendants.

Chaque plan devrait pouvoir être mis en place ou ôté sans devoir démonter les autres plans. (Analogie avec les armoires informatiques "rackables"). Chaque plan devrait pouvoir être rackable. On racke, on connecte. On déconnecte, on déracke. (NB: Cela exclut les solutions où le conduit serait encerclé par le tuyau.) (NB2: Pour les racks informatiques, le problème de l'évacuation de la chaleur est également crucial).

Bien sûr, la géométrie de l'avaloir, la position du conduit de fumée, sont propres à chaque insert, et permettent certaines solutions et en interdisent d'autres.

Racks horizontaux ou verticaux, qu'est ce qui est le mieux ?
Rack horizontal : favorise la stagnation de l'air dans les tuyaux, mais peut-être plus pratique coté design.
Rack vertical : amenée d'air frais en partie basse et sortie d'air chaud en partie haute => favorise la circulation d'air.

On peut imaginer un seul tuyau de cuivre mis en forme (éventuellement enserré entre 2 cadres plans).

On peut imaginer plusieurs tuyaux raccordés à leurs extrémités.

Dans ce cas, un des points de conception est la bonne gestion des raccords. On peut penser eg à un fer en U, commun à tous les raccords ?

Dans le cas d'un insert avec avaloir, on peut imaginer un mikado de tuyaux qui épouserait au mieux la forme de l'avaloir.

croquis à venir


Bâti et habillage

Bâti

(Cette section pourrait/devrait faire l'objet d'une page spécifique. En effet, le bâti tel qu'envisagé ici doit être le plus indépendant possible de l'extracteur de chaleur lui-même).

Indépendamment des choix pour l'échangeur de chaleur, il est probablement intéressant/nécessaire de construire un bâti, cadre, cage, structure d'accueil (parallélépipède). à placer sur l'insert, ou plutôt en enveloppe.
Le bâti dépend forcément :

  • de la façon dont l'insert + conduit existants sont déjà disposés
  • des fonctions qu'on souhaite, ou pas, pour l'ensemble

(on peut par exemple vouloir de la place pour caser un (ou plusieurs) récipient(s) d'eau. L'eau est l'un des meilleurs stockeurs de calorie).

Ce bâti pourrait/devrait :

  • faciliter l'insertion de l'échangeur de chaleur (à l'intérieur),
  • faciliter l'habillage externe.

Contraintes :

  • solide pour supporter aisément l'insert
  • ne pas gêner la circulation des tuyaux

Pour ne pas gêner la circulation des tuyaux, on peut carrément imaginer que certains tuyaux soient les montants du bâti. Ainsi, les tuyaux d'amenée d'air extérieur peuvent aussi être les montants horizontaux (c'est la solution retenue).

EC entreesAir02.jpg


EC tabouret01.jpg


NB : Les tuyaux d'amenée d'air extérieur sont fabriqués par assemblage (emboitement) de 2 barres de section U identiques à celles employées pour les pieds du tabouret. Et c'est très solide ! (assez pour supporter le poids de l'insert).

On va considérer ici le cas (général) où l'insert + conduit est plutôt situé contre un mur (en respectant bien sûr les distances de sécurité).
Le bâti aura une forme de parallélépipède.
Au minimum 1 étage pour poser l'insert.
Au minimum 1 étage supérieur plat.

Pour privilégier la solidité, la partie arrière du bâti devrait être directement fixée au mur. Il serait cependant préférable de laisser des ouvertures en bas le long du mur, pour les entrées d'air de l'extracteur.
Pour les montants du bâti non visibles, ie sans importance esthétique, de la cornière prépercée peut être intéressante.

Modularité
Il peut être intéressant que le cadre support de l'insert soit une pièce indépendante du reste. Uniquement solidaire du reste par boulonnage/vissage.

Solutions retenues

  • pour l'ensemble du bâti : cornières prépercées
  • les cornières prépercées les plus solides pour les arêtes externes
  • 2 tuyaux de section rectangulaire d'alimentation d'air extérieur, tous droits, qui partent sous les registres d'alimentation et traversent le mur
  • un "tabouret" indépendant qui vient se placer sous l'insert (en fait sous les 2 alimentations en air de l'insert)
  • un cadre indépendant frontal A posé en façade avant de l'insert (au-dessus de la vitre)
  • un cadre B à l'arrière de l'insert
  • une unique cornière horizontale C vissée dans le mur, à la hauteur du plan supérieur du kachelhofen
  • A, B et C sont solidarisés ensemble par boulonnage



Habillage

Parties verticales :
Pour poser des carreaux : des fers en section U face à face dans lesquels on fait glisser eg des carreaux qu'on peut choisir à sa convenance.
Ou alors des panneaux complets amovibles et qui se mettent en place et s'enlèvent facilement.

Parties horizontales :
La plaque supérieure n'a normalement pas besoin d'être en acier épais. Elle reposera en effet sur des cornières solides et en nombre suffisant. Par ailleurs cette plaque pourrait en fait être constituée de plusieurs plaques démontables facilement.
La fixation des plaques peut être facilement assurée au moyen de boulons de 5cm à tête arrondies fichés dans les cornières. Les plaques sont ainsi bien en place (pas de mouvements latéraux possibles, mais il suffit de lever les boulons pour les enlever).

Quelques données et considérations physiques

L'échange de chaleur qu'une installation est capable de réaliser dépend évidemment (entre autres) de sa surface d'échange avec le milieu. La surface externe du foyer est par définition à l'interface entre le foyer et l'extérieur, et c'est la circulation d'air sur les parois (et ailettes) de l'insert qui provoque l'échauffement de l'air (on ne parle pas du rayonnement ici).
Indépendamment d'autres considérations, une simple augmentation de la surface d'échange d'un insert est déjà de nature à améliorer les performances de chauffe.


chaleur massiques :

  • eau = 1 calorie / gramme / °C
  • fonte = 0.13 calorie / gramme / °C
  • fer = 0.17 calorie / gramme / °C
  • alu = 0.21 calorie / gramme / °C

L'eau est le réservoir de calories idéal car c'est elle qui a le plus la plus grosse capacité thermique massique par rapport à tout matériau solide. Autrement dit, un kilo d'eau stocke plus d'énergie qu'un kilo de béton. http://fr.wikipedia.org/wiki/Chaleur_massique

question capacité thermique massique l'eau est à 4186 J/(kgxK) le béton vers 850 J/(kgxK), à masse et variation de température égales l'eau stocke presque 5 fois plus d'énergie que le béton. A volume égal, vu la différence de masse volumique, il faut 2 fois plus de béton que d'eau...

http://forums.futura-sciences.com/habitat-bioclimatique-isolation-chauffage/187655-systeme-solaire-passif.html


Températures de fusion : zinc = 420°, cuivre = 1084°C, aluminium = 660°C

Liens divers

Liens sur l'insert employé pour le présent projet:
http://www.chemineesgodin.com/index.php?/Les-Inserts/SUPERCHAUFF.html
http://www.godinkandallo.hu/superchauff_superchauff-tx

http://www.bois-2-chauffage.com/nos-dossiers/29-se-chauffer-au-bois-prix-de-lenergie Comparaison des prix de chauffage (instructif)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Caloduc


Liens concernant les mesures de températures

Merci à fr.rec.bricolage

http://www.selectronic.fr/multimetre-2000-points-avec-commutation-automatique.html Un multimètre avec la fonction prévue et la sonde de contact à thermocouple associée, pour 30 € et même moins chez selectronic par exemple.

http://www.amazon.fr/Tala-Thermom%C3%A8tre-Import-Grande-Bretagne/dp/B000BN73II/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1350047380&sr=8-1 Thermomètre de four

http://petitlien.fr/649h sur amazon 68 euros,

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http://www.ebay.com/itm/Non-Contact-LCD-Display-Laser-Point-IR-Infrared-Thermometer-Temperature-Tem-Gun-/200798805554?pt=US_Weather_Meters&hash=item2ec08a9e32


Contributeur(s)

(Il suffit de cliquer sur le bouton signature dans l'éditeur)

--Vincent du 04 16 janvier 2012 à 11:55 (CET) : Premier jet du projet