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Volume d’air nécessaire pour faire brûler 1 kg de bois

Aujourd'hui, un petit calcul pratique qui nous sera utile pour de prochains articles.

Si je brûle une masse de 1kg de bois, quel sera le volume d'air prélevé dans mon habitat ?

poele de masse low-tech calcul combustion bois charge

Hypothèses

  • Le bois anhydre est de composition élémentaire CH1,44O0,66CH_\mathrm{1,44}O_\mathrm{0,66}
  • Taux d'humidité du bois Hb=20%H_\mathrm{b} = 20\%

Les autres hypothèses sont celles mentionnées dans la thèse originale citée en référence.

Relations

  • qq représente la quantité de matière exprimée en molesmoles
  • QQ représente le volume de gaz exprimé en Nm3Nm^3 (normo mètre cube)
  • HbH_b est le taux d'humidité contenu dans le bois
  • mbois humidem_\mathrm{bois\ humide} et mbois anhydrem_\mathrm{bois\ anhydre} représentent la masse de bois : avec et sans eau
  • XO2X_\mathrm{O_2} est le taux d'oxygène résiduel dans les fumées, il est considéré égal à 13%
Qair=0,0224 qairQ_\mathrm{air} = 0,0224\ q_\mathrm{air}
mbois anhydre=0,024 qboism_\mathrm{bois\ anhydre} = 0,024\ q_\mathrm{bois}
mbois anhydre=(1Hb) mbois humidem_\mathrm{bois\ anhydre} = (1-H_b)\ m_\mathrm{bois\ humide}
qbois=0,208XO21,03 qairq_\mathrm{bois} = \frac{0,208-X_\mathrm{O_2}}{1,03}\ q_\mathrm{air}

Objectif

On cherche à déterminer le volume d'air nécessaire pour faire bruler un kg de bois, en supposant la combustion complète. Nous voulons donc calculer le rapport Qairmbois humide\frac{Q_\mathrm{air}}{m_\mathrm{bois\ humide}} exprimé en Nm3.kg1Nm^3.kg^\mathrm{-1}

Résultat

D'après les relations précédentes, on en déduit :

Qairmbois humide=0,0224 1Hb0,024 1,030,208XO2\frac{Q_\mathrm{air}}{m_\mathrm{bois\ humide}} = 0,0224\ \frac{1-H_b}{0,024}\ \frac{1,03}{0,208-X_\mathrm{O_2}}

En considérant un bois avec un taux d'humidité de 20% et des gaz de combustion avec un taux d'oxygène résiduel de 13%, on obtient :

Qairmbois humide=9,86 Nm3.kg1\boxed{\frac{Q_\mathrm{air}}{m_\mathrm{bois\ humide}} = 9,86 \ Nm^3.kg^\mathrm{-1}}

Sources

Licence

Article sous licence Creative Commons CC BY-NC 4.0 ECOLOWTECH

Puissance perdue avant la mise à l'arrêt d'un poêle de masse

Calcul d'ordre de grandeur afin de déterminer l'énergie perdue si le poêle n'est pas mis à l'arrêt.

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Ce clapet est situé au début du conduit d'évacuation des fumées.

Un poêle de masse bien utilisé suppose la réalisation d'une flambée vive et intense avec une charge de bois adaptée.

La puissance de combustion est conséquente : un petit foyer de 10 kg correspond à une puissance de plus de 30 kW.

Tant que le poêle n'est pas mis à l'arrêt (fermeture de l'arrivée d'air et fermeture du clapet du conduit d'évacuation), de l'air continue de circuler. L'air entre l'arrivée d'air, circule et se réchauffe en passant par à travers le foyer et les carneaux avant de ressortir par le conduit d'évacuation.

Pendant tout ce trajet, l'énergie absorbée par ce courant d'air est conséquente.

Mieux vaut-il mettre le poêle de masse à l'arrêt au bon moment...

Dans le cadre d'essais réalisés au laboratoire de l'AFPMA, les chiffres utilisés pour le calcul sont les suivants :

  • foyer conçu pour une charge de bois de 10kg10 kg, dimensionné selon la norme NF EN 15544
  • vitesse de l'air estimé en fin de flambée dans le conduit d'arrivée d'air: vair=1 m.s1v_\mathrm{air} = 1\ m.s^\mathrm{-1}
  • diamètre intérieur du conduit d'arrivée d'air : D=115 mm2D = 115\ mm^2
  • température de l'air extérieur : Te=0 °CT_e = 0\ °C
  • température de l'air en sortie : Ts=100 °CT_s = 100\ °C
  • capacité thermique massique de l'air : Cp=1004 J.K1.kg1Cp = 1004\ J.K^\mathrm{-1}.kg^\mathrm{-1}
  • masse volumique de l'air (supposé sec et pris à l'extérieur à 0°C) : ρair=1,3 kg.m3ρ_\mathrm{air} = 1,3\ kg.m^\mathrm{-3}

On en déduit :

  • la section du conduit d'arrivée d'air S=104 cm2S = 104\ cm^2
  • le débit volumique d'air entrant dans le poêle est : Qair=vair.S=0,01 m3.s1Q_\mathrm{air} = v_\mathrm{air}.S = 0,01\ m^3.s^\mathrm{-1}
  • le débit massique d'air entrant dans le poêle est : qair=ρairQair=0,013 kg.s1q_\mathrm{air} = ρ_\mathrm{air} * Q_\mathrm{air} = 0,013\ kg.s^\mathrm{-1}

Pendant un temps t=1 st = 1\ s, nous avons donc 13 g13\ g d'air qui s'échauffe de 0 °C0\ °C à 100 °C100\ °C.

Cela nécessite une énergie égale à E=qairtCp(TsTe)=1305 JE = q_\mathrm{air} t Cp (T_s - T_e) = 1305\ J

Si cette énergie a servi à réchauffer l'air, c'est cela en moins pour réchauffer l'habitat.

Autrement dit, tant que le poêle n'est pas mis à l'arrêt, une puissance de chauffe estimée à P=1305 W\boxed{P = 1305\ W} est gaspillée.

Prenez un beau radiateur électrique, branchez le dehors à pleine puissance et vous aurez le même résultat...

Il faut donc mettre à l'arrêt le poêle au bon moment, une idée pour un autre article.

Licence

Article sous licence Creative Commons CC BY-NC 4.0 ECOLOWTECH