Auto-construction du poêle de masse

Principe de fonctionnement

Performance énergétique 

Le principe du poêle de masse est d’extraire la quasi-totalité de l’énergie du bois pendant la combustion. Son fonctionnement se fait toujours à allure soutenue, ce qui induit une combustion à haute température peu polluante. Et si le système de combustion est suffisamment performant, on obtiendra très peu d’imbrûlés et de particules.

Echangeur performant et inertie thermique

La masse qui entoure le foyer accumule la chaleur produite et la restitue lentement pendant longtemps. En effet, au lieu de partir directement dans l’atmosphère par la cheminée, les fumées chaudes issues de la combustion circulent dans un accumulateur en matériaux lourds et dense, qui récupère leur chaleur et la stocke pour plus tard. Les fumées sortent refroidies : on valorise ainsi beaucoup mieux l’énergie libérée par la combustion.

Confort thermique optimum 

La chaleur stockée est réémise sous forme de rayonnement « basse température » qui procure un confort exceptionnel avec une homogénéité de température proche de l’idéal. Cela permet une plus grande souplesse d’utilisation et évite les surchauffes.

Concrètement, on fait un feu vif pendant une durée très courte (1 à 2h), puis la chaleur est diffusée pendant 12 à 24 heures, jusqu’à la flambée suivante. La combustion, plus intense, est plus propre, plus efficace. L’énergie produite est mieux valorisée, ce qui induit un rendement global plus élevé et donc une moindre consommation de bois ainsi que des émissions polluantes faibles.

Notion de confort thermique

Il existe trois modes de transfert de la chaleur sensible :

• La conduction
• La convection
• Le rayonnement

Dans un poêle de masse, pendant la combustion, les faces internes du foyer sont principalement chauffées par le rayonnement émis par les flammes. Dans les conduits d’accumulation, l’échange entre les fumées chaudes et les parois maçonnées se produit par convection et conduction. Simultanément et pendant les heures qui suivent, le flux de chaleur se propage au sein des parois du poêle, par conduction. L’épaisseur de ses parois et la qualité thermique des matériaux qui les constituent définissent la durée nécessaire pour que la chaleur atteigne leur face externe, interface avec l’ambiance. À mesure que le flux de chaleur atteint la surface, la température de celle-ci augmente et elle transfère cette énergie à l’ambiance, principalement par rayonnement, mais aussi en partie par convection et par conduction. Pour privilégier un transfert de chaleur par rayonnement, des bas niveaux de températures sont plus appropriés. En d’autres termes, la chaleur intense d’un poêle en métal favorise la convection alors que celle douce, apportée par un poêle de masse, est plus adaptée au chauffage par rayonnement.

Remarque sur la pollution atmosphérique

Le CO₂ produit par la combustion du bois est inclus dans le cycle du carbone. Il s’agit du carbone atmosphérique stocké par la plante, puis ré-émi lors de la combustion ou de sa dégradation naturelle. Il est à nouveau absorbé par des plantes en cours de croissance. Le bois est donc neutre en ce qui concerne les émissions de CO₂ (au contraire des combustibles fossiles).

Cependant, si le poêle est mal conçu ou son utilisation inadaptée, une pollution peut être induite par une combustion incomplète. Si l’apport d’air est insuffisant, les gaz combustibles ne brûlent pas : il s’échappe tels quels dans l’atmosphère.

Avec un poêle de masse, il n’y a pas de risque de surchauffe, donc pas besoin de réduire le tirage jusqu’à un point critique polluant. 

Il n’y a pas de problème d’imbrulés car la combustion est toujours vive et complète.

Les différents éléments du poêle de masse

Chambres de combustion

Il existe deux types de combustions :

• Celle du charbon de bois : combustion lente (braises)
• Celle des gaz : combustion rapide (flammes)

Il est très difficile de réaliser ces deux réactions chimiques différentes dans la même enceinte. La pyrolyse et la combustion du charbon de bois d’une part et la combustion de gaz d’autre part nécessitent des conditions et des environnements différents pour bien se dérouler (température, quantité d’air, forme de la chambre, etc.). Pour maximiser les performances énergétiques et environnementales, nous avons donc bâti deux chambres de combustion différentes (une chambre pour la pyrolyse/gazéification et une pour la combustion de gaz).

Foyer ou chambre de pyrolyse et gazéification

Un poêle de masse est toujours un foyer fermé car il permet la maîtrise de l'introduction de l'air de combustion, avec donc un meilleur rendement.

La combustion s'effectue sur grille, condition indispensable pour obtenir une combustion de qualité au-delà de 10 kW. Dans notre cas, nous avons récupérer une ancienne plaque d'égout. 

Turbuleur

Pour obtenir une combustion complète, il faut absolument bien mélanger l’oxygène et les gaz issus de la pyrolyse. Or, ces gaz sont relativement visqueux et ont beaucoup de mal à se mélanger avec l’oxygène. Il est donc nécessaire de créer des turbulences pour optimiser le mélange oxygène/gaz (effet Venturi).

Effet Venturi : L'augmentation de vitesse d'un fluide dans un tube provoque une dépression, créant une aspiration là où il est muni d'un trou. Un bon dimensionnement est indispensable pour l'efficacité de l'effet Venturi.

Air primaire / air secondaire

Air primaire : quantité d’air nécessaire à la pyrolyse et la combustion du charbon de bois.

Air secondaire : quantité d’air nécessaire à la combustion des gaz. L’air secondaire doit être préchauffé.

L’air primaire permet de régler la puissance alors que l’air secondaire permet de régler la qualité de la combustion.

L’échangeur permet la performance du rendement.

Post-combustion ou chambre de gazéification

Physiquement, les gaz ne peuvent brûler qu’une seule fois :  il ne peut donc pas y avoir de double combustion au sens strict. En revanche, il peut y avoir post-combustion, dans le sens où les gaz qui n’ont pas brûlé au-dessus de la zone de pyrolyse brûlent plus loin en se combinant avec de l’air secondaire résiduel.

Les entrées d'air

Les entrées d'air se font par le bac à cendre. En tirant légèrement le bac à cendre, l'air primaire pénètre sous la grille. En parallèle, deux ouvertures de part et d'autre du bac à cendre servent d'entrée d'air secondaire. Le débit de ces deux entrées est également réglable grâce au bac à cendre qui ferme les trois entrées d'air : une primaire et deux secondaires.

Pour assurer le préchauffage de l'air secondaire, il circule entre les parois internes et externes du foyer ("double peau").

Le starter ou clapet de tirage

Le starter est placé à la sortie de la chambre de post-combustion. En temps normal, les fumées ne partent pas directement du foyer vers le conduit d'évacuation mais elles parcourent de longs conduits de récupération de chaleur à l'intérieur de la cuisinière et du poêle lui-même. A cause de ces longs conduits, le démarrage à froid peut être difficile. C'est pour cela que nous avons équipé notre poêle d'un clapet de tirage. Le principe est d'ouvrir le clapet : les fumées chercheront alors le "chemin le plus court" vers le conduit d'évacuation et ne passeront pas par tout le système de conduits. La cuisinière sera partiellement shuntée, le conduit d'évacuation chauffera plus vite et de créera du tirage. Au bout de 3 à 15 minutes, on ferme le clapet pour toute la durée de la combustion pour que les gaz chauds suivent le circuit normal dans l'accumulateur.

Après le démarrage, le starter sert également à gérer le débit de la flambée.

Avaloir

L'avaloir, à la jonction entre le poêle et l'accumulateur, est une transformation de forme et de section pour éviter les problèmes de refoulement.

Clapets de bipasses

Bipasse : de l'anglais "by-pass" ; dérivation du flux d'un fluide

Afin de gérer la chauffe de la cuisinière, nous l'avons équipée de deux clapets de bipasse, situés en sortie d'avaloir. Le premier permet de fermer totalement le circuit conduisant à la plaque de cuisson, de fermer totalement le circuit conduisant au four ou alors de répartir les fumées dans les deux circuit.

Le deuxième clapet de répartition permet de fermer totalement ou partiellement le circuit du four. Ainsi on peut régler la température de chauffe du four.

En période de demi-saison, si l'on ne veut pas avoir trop de masse d'accumulation, ou si l'on ne souhaite pas cuisiner, ou encore si l'on veut privilégier la chauffe du satellite de l'étage, on peut fermer les deux circuits de la plaque de cuisson et du four. Les fumées redescendront donc tout en bas du poêle, suivront les conduits les plus extérieurs et remonteront au dessus du foyer, jusqu'au conduit d'évacuation.

Les accumulateurs

Cuisinière

Notre accumulateur sera une cuisinière de masse composée d'une plaque en fonte et d'un four. Les fumées circulent dans le four et sous la plaque en fonte. Une trappe de répartition permet d'orienter les fumées vers le four ou les plaques. Lorsque le four est bien chaud, on peut dériver les fumées entièrement sous la plaque de cuisson, afin de cuire les aliments en dehors de toute fumée. De même, lors de la cuisson sur la plaque en fonte, on pourra régler le débit des fumées sous la plaque en les dérivant plus ou moins vers le four.

Satellite, un accumulateur auxiliaire

Afin de chauffer l'étage de la maison, nous allons créer un mur chauffant, dit "satellite" au-dessus du poêle. Cet aspect sera développé l'hiver prochain, lorsque nous le bâtirons.

Conclusion : les points à respecter pour obtenir un poêle performant

Pour assurer une combustion performante, un foyer doit respecter différentes règles :

• séparer les phases de pyrolyse et de combustion du charbon de celle de combustion des gaz ;
• avoir des parois intérieurs chaudes et isolées de l'extérieur pour ne pas refroidir la zone de flamme ;
• avoir un système de distribution d'air spécifique : il doit répartir l'air primaire de façon homogène dans les braises, puis préchauffer l'air secondaire pour l'introduire le plus chaud possible au-dessus de la naissance des flammes ;
• assurer un bon mélange entre gaz et air grâce au turbuleur, afin que la combustion des gaz s'opère jusqu'au bout ;
• avoir un échangeur de chaleur après la chambre de combustion : l'échangeur doit être constitué de longs conduits pour permettre aux fumées de céder le maximum d'énergie disponible avant de rejoindre le conduit d'évacuation des fumées.

Matériel et matériaux

Matériel

Scie à eau et disque diamant sur meuleuse

Matériaux

Les parois du foyer doivent pouvoir monter à très haute température. Pour cela, nous avons donc utilisé des briques réfractaires. Pour pouvoir supporter une montée très rapide et très intense de la température, suivie d'un refroidissement lent, il est nécessaire que les briques du aient un taux d'alumine de 40% (1200°C). Pour le satellite, la montée en température sera moindre, les briques choisies sont donc avec un taux de 30% seulement d'alumine, car elles n'ont pas besoin d'être aussi résistantes.

En ce qui concerne les portes et trappes de ramonages en fonte, nous avons acheté ce qu'il nous fallait sur le site "coeur de foyer" et "porte de foyer".

PRSE - spécialiste des briques refractaires, briques crues et poêles de masse

Créée dans les années 1910 environ, sa localisation s'explique par l'industrie céramique présente à cette époque là dans ce secteur géographique.Au cours de son histoire, l'entreprise a co...

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Bienvenue! : Porte en fonte pour foyer et four

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Auto-construction

Base pleine de brique sous la partie foyer ; au deuxième plan, partie cuisinière

Création de la double peau avec le flux des fumées à l'extérieur, et le flux d'air secondaire, réchauffé par les parois du foyer

Turbuleur usiné à la meuleuse : il s'agit d'un essai ; inspiration du turbuleur d'une chaudière à bois bûche

Entrée du turbuleur (vue de côté) avec apport d'air secondaire préalablement réchauffé

Sortie des fumées du turbuleur

Sortie du turbuleur (vue du dessus), avec chanfrein

Flux d'air primaire et secondaire

Circulation des fumées dans le four

Orifice de tirage (emplacement de la trappe de tirage ou starter) à la sortie de la chambre de post-combustion

Orifice de tirage en sortie de la chambre de post-combustion

Avaloir : sortie principale de la chambre de post-combustion ; clapet de bipasse pour shunter la plaque de cuisson

Circulation des fumées dans le four

Vue d'ensemble