Récupération chaleur sur four 150

[FkDAVID]

Bonjour à tous,

Nous installons un four 150 dans le Finistère sud et projetons de récupérer une partie de la chaleur afin de la stocker dans un ballon tampon qui servira à chauffer l'habitation attenante et/ou de l'eau chaude sanitaire.
L'idée n'est pas nouvelle mais pour autant aucun dimensionnement n'a été validé à notre connaissance et la preuve de concept n'a pas encore été faite.
Nous avons donc tenté des choses et je mettrai à jour ce post au fûr et à mesure de nos avancées.

Le premier point a été de pouvoir mesurer la répartition de la chaleur dans le four.

Classiquement il n'y a qu'un seul thermomètre dans la chambre de cuisson (le seul utile pour cuire le pain - sonde T1 sur le schéma).
Nous avons choisi de rajouter 3 sondes de température :

- l'une au plus bas de la chambre extérieure, au dessous de l'isolant (sonde T2)
- l'une au plus haut de la chambre extérieure, au dessus de l'isolant (sonde T3)
- l'une collée au serpentin en acier annelé qui permettra une circulation de l'eau vecteur de chaleur (sonde T4)

Le four sera d'abord chauffé sans circulation d'eau afin de suivre l'évolution des températures et rajouter des données à ce qui a été rapporté sur un four du même type par Morgan Let (viewtopic.php?p=7206&hilit=four+150#p7206)

Schéma four.png (128.5 Kio) Consulté 3723 fois

Le second point a été de décider d'un dimensionnement de serpentin.

Il semblait assez évident de positionner celui-ci sur la plaque en acier séparant le conduit de fumée de l'isolant sur la partie haute du four.
En revanche il nous a été impossible de calculer la capacité d'échange thermique entre un tuyau en acier annelé rempli d'eau (le matériau utilisé pour les chauffe eau solaires) et cette plaque en acier, sachant que la surface de contact avec la plaque est minime puisque le tuyau est rond, et que le reste est noyé dans la vermiculite (voir photos), puis recouvert de laine de céramique.

Au doigt mouillé nous avons opté pour 9m de tuyau en 20mm de diamètre intérieur.

IMG_20231123_150713.jpg (1.63 Mio) Consulté 3723 fois

IMG_20231123_123451.jpg (1013.99 Kio) Consulté 3723 fois

IMG_20231123_123410.jpg (1.08 Mio) Consulté 3723 fois

Le troisième point est de prédire le volume d'eau qui pourrait être chauffé par ce système.


Globalement les pertes de chaleur se font par les fumées, par la diffusion à travers les parois et par l'export du pain chaud.
Une chauffe du four et une fournée de pain consomme en moyenne 35 kg de bois de feuillus, dont le PCI (pouvoir calorifique inférieur) est de 4.2 kWh/kg. Une chauffe libère donc environ 150 kWh.

Notre maison fait 115 m2, et a un DPE de 231 kWh/m2/an, soit si l'on considère que l'on chauffe environ 6 mois par an, (115*231/180) environ 150 kWh.
Cette quantité de bois pourrait donc en théorie chauffer la maison et ECS. Ce n'est pas l'idée bien sûr puisque l'objectif principal de ce four reste de cuire du pain ! On ne se fait donc pas trop d'illusions sur les économies. Le principe nous semble néanmoins intéressant.

Une fois les premières chauffes réalisées nous envisageons de connecter un ballon tampon au serpentin avec un circulateur disposant de 2 modes. Un mode "sécurité" dont l'objectif est d'éviter que l'eau dans le serpentin ne boue, mais n'abaisse pas trop la chaleur du four (le mode cuisson). Un mode "récupération de chaleur" après la cuisson dont l'objectif est d'extraire un maximum de chaleur du four et provoquer un point de fuite vers le ballon tampon plutôt que vers le volume d'air du fournil.

Pour le dimensionnement du ballon tampon si l'on suppose qu'il parte à froid (15°C - le four ne fonctionnera pas tous les jours) et soit "plein" à 95°C, 1L d'eau stocke 80 kcal, soit 80/860.4 = 0.09 kWh/L. Au doigt mouillé là encore, récupérer 1/3 de la chaleur libérée par le bois nous semble raisonnable, donc nous envisageons d'installer un ballon tampon de 500L (500*0.09 = 45 kWh).

Cette réflexion nous semble intéressante à partager, l'idée est de discuter de tout cela, de critiquer, d'essayer, et d'améliorer pour les versions futures. Que chacun se sente donc libre de donner son avis sur la question, du moment que cela reste constructif.
Merci d'éviter les "tout facon sa marchera pa".

Merci à ceux qui auront lu jusqu'au bout et à bientôt,
Frank

[ArthurH]

Salut!
sympa le montage. On a tenté ça avec le four Ferma d'un copain, soles de 2m.
Avec un serpentin de cuivre diamètre 12, 10m de couronne il me semble, placé sous le four d'abord, avec une couche d'isolant en dessous du serpentin -> rien de concluant.
Essai n°2, avec la même couronne tordue en plusieurs aller retour façon radiateur, placé sur le bas de la chambre de cuisson (le plafond du foyer donc) -> test très positif. Ma crainte était que cela entache la cuisson du pain mais apparemment il n'en est rien...
ça prend un sacré coup de chaud quand il hydrate la chambre de cuisson, la vapeur doit aider à conduire la chaleur.
Le serpentin est amovible (relié au ballon ECS par deux flexibles) et tourne grâce à un circulateur de récup et une régul toute simple façon installation solaire thermique, sur arduino (si le code et le câblage t'intéresse dis moi)
A ma connaissance il chauffe son ballon ECS de 300L en une session, mais probablement pas de 15 à 95°C... Je n'ai pas de chiffres précis :-/
Mais c'est une piste pour continuer à gratter des calories si ton serpentin manque un peu de péchon. le montage a l'air quali en tout cas. Récupérer 1/3 de la chaleur des bûches c'est un beau paris... hâte d'en savoir plus

[FkDAVID]

Bonjour à tous,

Cela fait quelques mois que le four fonctionne et nous commencons donc à avoir quelques données des différentes températures sur un mode de fonctionnement sans récupération de chaleur (serpentin vide donc). On avance petit à petit pour la suite du projet ballon...

Globalement il semble que l'isolation soit plutôt bonne, la température la plus à l'extérieur est vraiment plus basse que celle de la chambre qui, elle, est très similaire au dessous de l'isolant (parois basse et haute du conduit d'évacuation des fumées).
Les 250°C sont atteints au bout de 4h30, ce qui semble un peu supérieur aux 3h rapportées par Morgan Let
(viewtopic.php?p=7206&hilit=four+150#p7206), mais une chauffe plus lente permet aussi une meilleure homogénéité de la température des soles. On redescend ensuite à peu près à température ambiante au bout de 24h.

Je précise que chacun des points du graphique correspond à une mesure.
La courbe est donc un lissage sur une quinzaine de chauffes du four.

tempFour.png (113.69 Kio) Consulté 3139 fois

[FkDAVID]

Bonjour à tous,

Pas mal de temps a passé avant que l’on connecte enfin le ballon tampon au serpentin installé dans le four. C’est maintenant chose faite, en majorité à partir de matériel d’occasion.

Schéma général de montage :

Nous avons globalement repris ce qui se faisait pour une installation de poêle bouilleur en utilisant un ballon tampon de 500L contenant deux serpentins ainsi qu’une boucle anti condensation pour éviter qu’une eau trop froide crée un point de rosée à la surface du serpentin du four.

Le circuit est donc constitué d’un circulateur, soupape de sécurité 3 bars, vanne anti condensation 70°C, purgeur d’air, soupape de sécurité 90°C et trois sondes de température (serpentin dans le four, haut du ballon et bas du ballon).

Circuit four à pain

Circuit four à pain.png (576.66 Kio) Consulté 10 fois

Le régulateur est prévu pour un chauffe-eau solaire. Lorsque la température dans le serpentin du four est 8°C plus élevée que celle du bas du ballon le circulateur se met en route. Si la différence tombe en dessous de 4°C le circulateur s’arrête.

Lorsque le ballon atteint 95°C le circulateur s’arrête pour le préserver. Cela ne pose pas de problème dans un circuit solaire où l’eau reste en dessous du point d’ébullition mais elle risque de bouillir dans le four où le serpentin vide peut monter jusqu’à 300°C. La soupape de sécurité placée à la sortie du serpentin du ballon permet de décharger l’eau qui ne serait pas redescendue en température en échangeant ses calories avec le ballon. L’eau évacuée est compensée par un remplissage toujours ouvert équipé d’une vanne anti retour et d’un limitateur de pression (2 bars).

Ce ballon sert de préchauffage de l’eau chaude sanitaire qui entre ensuite dans une chaudière à fioul classique s’occupant de l’appoint et du maintien en température.


Efficacité du système et pistes d’amélioration :

Il est à noter que le four est utilisé trois jours par semaine, le mardi, jeudi et samedi. Les températures des trois sondes ont été relevées sur une dizaine de jours. Chacun des points sur le graphique correspond à une mesure, chaque couleur à une sonde et les courbes à des interpolations.

Températures ballon

tempBallon.png (79.89 Kio) Consulté 10 fois

Le premier élément est que la chauffe du four n’est absolument pas impactée par la circulation d’eau dans le serpentin, ce qui nous laisse penser que la chaleur récupérée est bien une chaleur résiduelle qui serait de toute façon perdue. En revanche la chauffe du ballon reste assez décevante. Celui-ci plafonne autour de 35-40°C en haut, sachant que la redescente en température est due à notre utilisation de l’eau et donc à un remplacement par de l’eau froide (13°C) arrivant en bas du ballon.

L’erreur principale semble être que le serpentin est placé dans un isolant, la vermiculite. Il échange donc de la chaleur avec la plaque en acier sur laquelle il est posé, et qui le sépare du conduit d’évacuation des fumées, mais très peu avec le reste de son environnement malgré une température dans l’isolant (sonde T2 du premier post) qui continue d’atteindre 300°C lorsque le four est en chauffe.

Nous avions fait ce choix par peur que l’échangeur soit trop puissant et impacte la chauffe du four et la cuisson du pain. De toute évidence il n’en est rien. Il serait bon de remplacer la vermiculite par un matériau conducteur de chaleur pour augmenter la puissance de l’échangeur. Celui-ci pourrait être du sable fin, bien tassé pour réduire au maximum les vides qui jouent le rôle d’isolant et là encore recouvrir de laine de céramique pour garder l’effet isolant vers l’extérieur du four. Il faut pour cela enlever les rivets du couvercle du four et lever le chapeau autour du tube d’évacuation des fumées (affaire à suivre).

Coût et rentabilité du système :

Ballon isolé Viessmann 500L émaillé avec 2 serpentins (occasion) : 500 euros
Circulateur + boitier de régulation + vase expansion 30L (occasion) : 120 euros
Tuyaux inox annelé + thermomètres four : 700 euros
Raccords divers : 480 euros

Total : 1 800 euros

Dans sa configuration actuelle le système nous permet d’envoyer dans la chaudière fioul une eau en moyenne à 30°C là où elle arrivant avant à 15°C. Sachant que l’eau est ensuite montée à 60°C pour l’eau chaude sanitaire, il y a donc environ 1/3 de fioul qui est économisé. Pour un coût annuel de l’eau chaude sanitaire d’environ 300 euros (estimation DPE) cela nous ferait donc économiser 100 euros. Bref, tel quel ça ne vaut pas le coup. La question reste donc de savoir si l’on pourrait augmenter la puissance de l’échangeur sans impacter la cuisson du pain.

Frank