Etude d’un chauffe-eau domestique

Combustion

Généralité

La combustion est une combinaison rapide et exothermique d’une substance (solide – liquide –gaz), la substance qui brûle est le combustible, le gaz dans lequel a lieu la combustion est le comburant.
Un combustible est formé d’éléments oxydables, les seuls qui peuvent brûler dans le combustible : carbone, hydrogène, soufre) et des stériles incombustibles (cendres, …). Après la combustion, on se trouve en présence de gaz (fumées des solides imbrûlés) dont l’ensemble forme les produits de combustion.
Si tous ces produits de combustion ne contiennent plus aucun élément ou substance combustible, la combustion est complète ou totale, s’il en est autrement, la combustion est incomplète.
Plus précisément, la combustion est une réaction chimique entre deux éléments ou deux corps avec un dégagement de chaleur.

Propriétés physiques de l’air et des fumées

La condensation de la vapeur d’eau

L’eau contenue dans le bois sec se vaporise lors de la combustion dans le foyer. Sous l’effet des déformations (contractions) que subit le bois lorsqu’il perd son eau, il émet des bruits de craquement (crépitement des feux de bois dans la cheminée).
Au contact des parois du conduit, si elle est plus froide que la fumée, ou encore vers sa sortie à l’air libre, généralement plus froid, la vapeur d’eau risque de se condenser et l’eau liquide ainsi formée de ruisseler vers le foyer.
On évite cette situation si la température de la fumée reste en tous points du conduit, plus grande que la température du point de rosée de l’eau.
Les gaz émis par la combustion contiennent toujours de la vapeur d’eau qui provient, dans tous les cas, de la combustion des molécules de dihydrogène H2 existant dans le combustible, mais, dans certains cas, de l’eau déjà présente dans le matériau combustible comme c’est le cas du bois. A cette eau présente dans les fumées s’ajoute aussi celle due à l’humidité de l’air ambiant.
La pression partielle de la vapeur d’eau dans les fumées est la pression qu’elle aurait si elle occupait seule tout le volume disponible. Si P’ est la pression qui règne dans la cheminée, supposée égale à celle au niveau du foyer, la pression partielle P V de la vapeur d’eau est proportionnelle à la pression totale des fumées P’, par l’intermédiaire de la fraction molaire x V = nV /n’, où n V nombre de moles de la vapeur d’eau, et n’ nombre de moles total des fumées :

Transfert thermique par conduction

Le transfert thermique par conduction s’effectue suivant la loi de FOURIER,En conduction (en régime permanent) ; c’est-à-dire lorsque l’équilibre  thermique est atteint, ce qui se caractérise par des températures qui ne dépendent plus du temps ; à chaque point d’un solide, la température dépend alors seulement de la position du point.

Notion de base de la Loi de FOURIER

Expression du flux thermique à travers un tube cylindrique

On désire connaître le flux thermique qui traverse le tube de l’intérieur vers l’extérieur (lorsque Φ1 > Φ2) pour une longueur L de tube. Par raison de symétrie, les lignes d’écoulement de la chaleur sont des droites dirigées selon des rayons. On dit que le transfert de chaleur est radial.

Le rayonnement

C’est le phénomène de la transmission de chaleur sous forme de rayon calorifique. Les rayons se propagent linéairement dans l’espace, ils sont absorbés partiellement par le corps le plus froid inférieur à la température de l’émetteur de ce rayon. La quantité totale de rayonnement qui émet un rayon unité de surface et le temps appelé : POUVOIR EMESSIF : E qui dépend de la température et des caractéristiques de la surface du corps par une radiation quelconque. L’énergie totale incidente est partiellement absorbée, réfléchie et transmise.

Tirage d’une cheminée

Le tirage d’une cheminée est la pression d’aspiration de la fumée. Il doit être suffisant pour assurer un courant d’air constant à travers le foyer, donc la combustion.
L’aspiration résulte du fait que l’air chaud à l’intérieur du conduit, donc moins dense que l’air extérieur, va être soumis à une poussée positive, ascensionnelle, par effet de poussée d’Archimède, lorsqu’il va rencontrer l’air extérieur plus froid, donc plus dense. L’ascension de l’air chaud immédiatement au voisinage de la sortie du conduit crée à ce niveau, localement, une légère dépression qui provoque l’aspiration de l’air chaud du conduit. Cette dépression est par conséquent donnée par la différence entre les pressions de l’air chaud et de l’air extérieur au sommet de la cheminée. Soit h la hauteur totale de la cheminée, entre le foyer et l’extrémité de la sortie du conduit. La pression de la colonne d’air chaud contenue dans le conduit est ρ’gh, tandis que la pression de la colonne d’air extérieur de même hauteur est ρgh. La dépression, ou tirage, est donc:

Bilan des échanges thermiques

Dans cette rubrique, on étudie en premier lieu les échanges thermiques pour le calcul des flux traversant chaque partie, en second lieu, on a les échanges thermiques au niveau du chauffe-eau.

Bilan des échanges thermiques dans le conduit de fumée

Le système d’évacuation de fumée se divise en trois parties : conduit du chauffe-eau + conduit en tube cylindrique + conduit en brique. Le calcul de la température à la sortie de chaque conduit se calcule comme suit :

IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX

La qualité a été toujours un objectif important depuis que l’homme fabrique des objets. En effet, la recherche de la qualité est devenue unpoint clé de la compétitivité des entreprises. Cette étude doit se passer dans les normes de la qualité et du management environnemental.
D’où l’étude du chauffe eau domestique existant. Pour la suite, on va traiter les impacts environnementaux.

Définition

L’environnement est l’ensemble des milieux naturelset artificiels y compris les milieux humains et les facteurs sociaux et culturels qui intéressent le développement national. Donc un impact sur l’environnement d’un projet peutse définir comme l’effet, sur une période de temps donnée et dans un espace défini, d’une activité humaine sur une composante de l’environnement biophysique et humaine, en comparaison de la situation en l’absence du projet.
Afin d’assurer une meilleure intégration des considérations environnementales au développement et une meilleure utilisation des ressources et du territoire, l’étude de l’impact sur l’environnement est indispensable et doit être conforme à la norme environnementale qui représente une limite fixée en fonction de la toxicité, de l’écotoxicité, etc. du polluant considéré au-dessus de laquelle des perturbations de toute ou partie des composantes du milieu ambiant et/ou de la santé humaine sont susceptibles de se produire ; elle doit suivre la Charte de l’environnement à Madagascar.

Charte de l’environnement Malgache

La Charte de l’Environnement Malagasy contient les principes généraux et les dispositions traduisant en termes opérationnels et dans le cadre du développement global de Madagascar, la politique nationale de l’environnement. Le point de départ de la Charte est constitué par les données permanentes de l’environnement à Madagascar: l’homme, la terre et le sous- sol, les écosystèmes, l’endémisme.
Avant d’aborder les dispositions concernant la politique nationale de l’environnement, la Charte procède à une analyse de la dégradation des ressources naturelles et de ses effets. Elle définit les grandes lignes de la Politique Nationale de l’Environnement et en expose les principaux axes (PNE). Une telle politique nécessite une mise en œuvre opérationnelle : La Charte définit cette mise en œuvre en exposant le Plan d’ Action Environnementale (PAE). Elle situe le PAE par rapport aux grands problèmes de l’Etat: la décentralisation, le désengagement de l’Etat, la libéralisation.
Les programmes du PAE se conforment à une stratégie qui est définie à tous les niveaux par la Charte.
Cette stratégie comporte en particulier la mise au point de projets prioritaires, intitulés « Projets Environnements » (PE).
Cette action d’ensemble qui comporte ainsi la Politique Nationale de l’Environnement, le Plan d’Action Environnementale, et les projets environnements, rend nécessaire la mise en place d’un cadre institutionnel étroitement lié à l’organisation constitutionnelle et administrative de la République Démocratique de Madagascar. .

Mesure à prendre

Si rien n’est fait pour enrayer ces rejets de gaz carbonique, la fonte d’une partie des glaces polaires entraînera une élévation du niveau des mers (estimée à 80 mètres en l’an 2100), ce qui submergera des régions littorales, dont certaines sont très peuplées.
On ne devrait pas utiliser et déboiser les forêts qui ne sont pas spécialement faites pour une culture de bois de chauffage. Le reboisement est conseillé ainsi que la culture des microalgues qui sont des micro organismes issus de la mer. Principalement utilisées jusqu’à aujourd’hui dans l’alimentaire, les cosmétiques et comme fertilisants, elles présentent de nombreux avantages tant du point de vue environnemental (pasd’apport de phytosanitaires, pas de rejet de nutriment) qu’en terme de rendement avec une production estimée à 30 fois supérieure à celles des oléagineux terrestres.
L’installation d’un bassin de culture de microalgueest fortement conseillée, vu ces grands avantages au niveau de l’exploitation qui n’exige pas une grande surface. Plus avantageux que l’arbre, la surface de capture CO 2 des microalgues est de 1000cm²/g.
Les cendres obtenues par les combustibles peuvent être aussi utilisées comme compost car elles sont obtenues à partir d’éléments organiques (Elles contiennent du calcium, duphosphore (P), du magnésium et de la potasse (K)) et utilisées aussi en grande quantité, un rôle d’élément d’addition pour la fabrication des ciments.

Devis estimatif et quantitatif

L’étude financière est indispensable pour n’importequelle construction ou un projet. Dans notre cas, il s’agit d’une réalisation d’un chauffe-eau domestique qui pourrait faire l’objet d’un projet de fabrication en série. Donc il est toujours indispensable d’évaluer le coût afin d’allouer le budget nécessaire à une éventuelle réalisation. C’est pourquoi le devis estimatif et quantitatif de fabrication de ce chauffe-eau est judicieux.

Conclusion

Ce mémoire avait comme objectif d’étudier un chauffe eau domestique existant avec comme combustible le charbon de bois et qui respecte l’environnement.
On a fait des études théoriques pour pouvoir comprendre tous les phénomènes qui se passent. Ces études nous ont permis d’avoir un livre technique pour le chauffe-eau et de trouver des améliorations au niveau de la réductiondes pertes thermiques, et des solutions pour la protection de l’environnement. Il est difficile de faire la corrélation entre la théorie et la pratique, car toutefois il y a toujours des phénomènes qu’on n’arrive pas à expliquer pendant les prélèvements, mais les résultats obtenus sont satisfaisants. La plupart deces phénomènes rencontrés ne peuvent être ni décrits, ni expliqués facilement dans un livre de mémoire de fin d’étude pour l’obtention d’un diplôme de Licence-ès sciences technique

Table des matières

Table des matières
Liste des figures
Liste des abréviations
INTRODUCTION
PARTIE 1: GENERALITES
I. Combustion
I.1. Généralité
I.2 Combustible
II. Propriétés physiques de l’air et des fumées
II.1 La condensation de la vapeur d’eau
III. Transfert thermique
III.1 Transfert thermique par conduction
Notion de base de la Loi de FOURIER
a- Expression du flux thermique à travers un tube cylindrique
b- Expression de la résistance thermique d’un tube cylindrique
III.2 La convection
3.2.1 Convection naturelle
3.2.2 La convection forcée
III.3 Rayonnement
IV. Tirage d’une cheminée
PARTIE 2 : Etude du chauffe-eau existant
I. Description
I.1 Fonctionnement du chauffe-eau
I.2 Résultat des mesures expérimentales
II. Calcul de la quantité de chaleur produit et de la température de combustion
Le charbon de bois
a- Composition chimique
b- Pouvoir calorifique
c- Température théorique de combustion
d- Détermination de la température théorique de fumée
III. Calcul de tirage de la cheminée
III.1 Condensation de la vapeur d’eau dans le conduit
III.2 L’humidité relative
III.3 La dépression ou tirage de cheminée
IV. Bilan des échanges thermiques
IV.1 Bilan des échanges thermiques dans le conduitde fumée
Au niveau du chauffe-eau
Au niveau du conduit en tube cylindrique
Au niveau du conduit en brique
IV.2 Méthode de résolution
a. En régime spatio-temporelle
b. Résolution en régime permanent
IV.3 Bilan des échanges thermiques au niveau du chauffe-eau en régime permanent
3.1 Le flux perdu
3.2 La durée de stockage de l’eau jusqu’à la température 35°C
PARTIE 3 : Proposition d’amélioration
I. Effet de l’isolation de la paroi externe
1.1 La quantité de chaleur perdue
1.2 La réduction de perte de quantité de chaleur
1.3 Interprétation
II. Effet des ailettes (dans le conduit de fumée dela chaudière)
2.1 La quantité de chaleur perdue
2.2 La réduction de perte de quantité de chaleur
2.3 Interprétation
III. Effet simultané (Isolant + ailette)
3.1 La quantité de chaleur perdue
3.2 La réduction de perte de quantité de chaleur
3.3 Interprétation
PARTIE 4 : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX 
I. Définition
II. Charte de l’environnement Malgache
III. Destruction de l’environnement
IV. Mesure à prendre
PARTIE 5 : Devis
I. Chauffe-eau existant
II. Chauffe-eau avec isolation
III. Chauffe-eau avec ailette
Conclusion
Références bibliographiques
Liste des annexes