Détermination des performances techniques des fourneaux utilisés au Bénin par la technique d ébullition de l eau.

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1 Déterminatin des perfrmanes tehniques des furneaux utilisés au Bénin par la tehnique d ébullitin de l eau. Malahimi ANJORIN 1*, Christphe AWANTO 1, Latif FAGBEMI 1, Aristide C. HOUNGAN 1, Mihel FEIDT 2 1 LERTI-CPU, Université Natinale du Bénin, 01 BP 2009 Ctnu Bénin 2 LEMTA-CNRS 875-2, av. de la frêt de Haye, BP Vandeuvre Frane. * malahimi.anjrin@epa.ua.bj Résumé - Les fyers fnt partie de la vie urante. Chaque ménage en utilise pur la uissn de ses repas. Dans le tiers-mnde, la plupart des ppulatins utilisent surtut des fyers à mbustibles ligneux. Les effets négatifs sur l envirnnement snt aujurd hui bien nnus : phes de désertifiatin, érsin des sls, hangements limatiques et. Ces effets peuvent se mesurer à la nsmmatin de es fyers laquelle dépend de la taille de la famille, du type de repas et aussi du type de fyer utilisé. La présente étude, en utilisant la tehnique d ébullitin de l eau, mntre l influene du type de fyer sur les perfrmanes tehniques. Nmenlature C pe haleur spéifique eau, kj/kg C L v haleur latente de vaprisatin eau, kj/kg M v masse marmite, uverle, thermmètre, supprt, kg M 0 masse marmite et eau, kg M 1 masse marmite et eau après phase 1, kg M 2 masse marmite et eau après phase 2, kg M masse initiale mbustible, kg M 1 masse mbustible après phase 1, kg M 1 masse mbustible restant début ébullitin, kg M 2 masse mbustible restant après phase 2, kg M p1 masse harbn après la phase 1, kg M p1 masse harbn début ébullitin, kg M p2 masse harbn après phase 2, kg TE temps d ébullitin, mn TE temps phase1, vaut TE+30mn TM temps mijtage, mn T 0 température initiale eau, C T eb température ébullitin eau, C Symble gre ϕ a humidité relative air 1. Intrdutin On rennaît aujurd hui que la défrestatin est un aspet de la dégradatin de l envirnnement terrestre, et que sn évlutin rapide bservée dans les pays en dévelppement est due à une utilisatin inntrôlée du bis pur la uisine. Les furneaux à bis u à harbn de bis snt des myens très répandus dans es pays. Dans le as spéifique du Bénin par exemple, les estimatins du plan d atin envirnnemental de Juin 1993 révèlent que la frêt reule en myenne de ha par an [1]. L une des slutins mises en œuvre pur amélirer la situatin est le rebisement et les ultures énergétiques, ave la vulgarisatin de furneaux à hautes perfrmanes énergétiques. Malheureusement, dans la plupart de es pays, les furneaux à bis u à harbn de bis snt fabriqués par des artisans dnt les qualifiatins ne peuvent permettre de prendre en nsidératins les ntraintes d effiaité énergétique et leurs impliatins sur l envirnnement. Dans la présente publiatin, n étudie expérimentalement, l influene de ertains paramètres de nstrutin sur les perfrmanes énergétiques des furneaux. Les paramètres

2 retenus snt : la vitesse du vent, la nature du matériau de nstrutin, le type de mbustible, le tirage et le nmbre de fyers. Malheureusement, très peu de travaux nt pu être reensés sur e thème. La méthde expérimentale utilisée est basée sur la «tehnique d ébullitin de l eau» [2, 3, 4]. 2. Reensement et difiatin des furneaux Les fyers utilisés au Bénin peuvent être divisés en tris atégries (Fig. 1) : les fyers traditinnels, les fyers de type améliré (améliratin par rapprt aux préédents) et la atégrie des uisinières à pétrle, à gaz u életrique. Chaque grupe mprte une multitude d équipements différents, et les mêmes fyers peuvent se retruver dans différents pays ave des dénminatins différentes. Pur harmniser la désignatin des furneaux, et permettre l éhange d infrmatins, une difiatin basée sur les aratéristiques essentielles de l équipement a été prpsée [5]. La difiatin est basée sur les tris ritères suivants : l effet du vent, le matériau et le mbustible, puvant être nsidérés mme les plus signifiatifs dans la desriptin d un furneau. La figure 1 présentant les furneaux présente également le de retenu. (OsP0b) Fyer rural à bis (Plab) Fyer métallique adkpé (Plmb) Fyer métallique à siure (Plmd) Fyer lprte arré (Plmp) Fyer à jante (Plj) améliré 1 marmite (Pstb) améliré 1 marmite ave heminé (Pshtb) améliré 2 marmites (P2shtb) Fyer mixte (Plmb) Fyer mixte mdifié Grille nn truée (Flmb1) Fyer mixte mdifié Grille truée (Flmb2) Réhaud à pétrle (Plm0k2,6) Fyer mixte mdifié Ave réhaud à pétrle (Flmk2,6) Cuisinière à gaz (Plm0g) Réhaud életrique (Plm0e) Figure 1 : Fyers testés et difiatin 3. Présentatin de la tehnique d ébullitin de l eau La tehnique d ébullitin de l eau est un test permettant d évaluer les perfrmanes des furneaux. Elle nsiste à hauffer une ertaine quantité d eau ave le furneau testé jusqu à atteindre l ébullitin. Ce hauffage se fait en deux phases : «phase de haute puissane», ù l eau est prtée rapidement à l ébullitin ; «phase de basse puissane» u de «mijtage», ù n laisse frémir l eau pendant un ertain temps.

3 Le test d ébullitin de l eau permet d évaluer les perfrmanes des furneaux à partir d un ensemble de paramètres définis mme suit : le rendement thermique, le purentage de haleur utilisée en phase 1 nté PCU1, C pe( M v)( Teb T0) + Lv( M 1) PCU1= (1) P M 1 0,2ϕ 1,5M i [( )( ) ] 1 a le purentage de haleur utilisée ttal pur les deux phases nté PCUT, C pe( M v)( Teb T0) + Lv( M 2) PCUT = P M 0,2ϕ 1,5M i p1 [( )( ) ] 2 1 a p2 la puissane la puissane pendant la phase d ébullitin P 1 en kw, Pi[ ( M 1)( 1 0,2ϕ a) 1,5M p1] P1 = (3) ' 60TE la puissane pendant la phase de basse puissane P 2 en kw, Pi[ ( M 2)( 1 0,2ϕ a) 1,5 M p2] 1 P2 = (4) 60TM la flexibilité F, P1 F = (5) P 2 4. Expérimentatins Le test d ébullitin de l eau a été réalisé pur 22 types de fyers hisis en fntin du paramètre dnt l influene est étudiée. Le dispsitif expérimental est simple et mprend les fyers à expérimenter, les marmites et les instruments de mesure. Pur haque type de fyer, tris éhantillns nt été retenus. Les tris éhantillns nt subi simultanément tris tests respetifs identiques, e qui représente neuf tests pur haque type de fyer. 5. Résultats et analyses Les résultats d expérimentatin snt regrupés dans le tableau 1. Les paramètres marqués d astérix (*) en expsant snt présentés en valeur réduite seln la frmule (6). Cette frmulatin permet de les représenter sur un même graphique (fig.2). 100 ( Param min( Param)) Param* = (6) max( Param) min( Param) (2) N Mdèle de fyer Cde PCU1 PCU1 PCUT PCUT P1 P2 F* F (%) * (%) (%) *(%) (kw) (kw) (%) 1 ''3 pierres'' Osp 0 b 12,9 4,744 12,6 7,05 6,6 6,6 1,0 5,71 2 Rural (argile uite) Pla b 18,2 14,80 15,7 12,66 7,7 5,0 1,5 20,00 3 ''Adkpé'' Plm b 24,2 26,19 22,1 24,23 6,3 3,3 1,9 31,43 4 ''Adpké'' à siure Plm d 25,3 28,27 22,2 24,41 4,6 5,6 0,8 0,00 5 ''Clprte'' arré Plm p 15,9 10,44 15,6 12,48 6,0 7,2 0,8 0,00 6 ''Clprte'' à jante Plj 12,0 3,04 11,5 5,06 10,2 10,3 1,0 5,71 7 Fyer mixte Plm b 18,7 15,75 17,2 15,37 7,4 5,6 1,3 14,29 8 Fyer mixte Plm b 19,0 16,32 15,6 12,48 6,0 7,2 0,8 0,00

4 N Mdèle de fyer Cde PCU1 PCU1 PCUT PCUT P1 P2 F* F (%) * (%) (%) *(%) (kw) (kw) (%) 9 marmite Pst b 10,4 0,00 8,7 0,00 10,2 3,2 3,4 74,29 10 marmite Pst b* 15,6 9,87 14,3 10,13 5,0 1,5 4,3 100,00 11 marmite, heminée Ps h t b 12,8 4,55 11,4 4,88 10,1 5,4 2,4 45,71 12 marmite, heminée Ps h t b* 20,9 19,92 17,9 16,64 5,4 3,1 1,7 25,71 ''3 pierres'' améliré 2 13 marmites, heminée P 2 s h t b 13,0 4,93 13,4 8,50 11,0 4,6 2,7 54,29 ''3 pierres'' améliré 2 14 marmites, heminée P 2 s h t b* 25,2 28,08 22,5 24,95 5,4 5,2 1,2 11,43 15 Fyer mixte mdifié 1 Flm b 1* 24,1 26,00 23,4 26,58 5,1 6,4 0,8 0,00 16 Fyer mixte mdifié 2 Flm b 2* 26,0 29,60 23,4 26,58 5,2 5,5 0,9 2,86 17 Fyer mixte mdifié 3 Flm b 3* 24,5 26,76 24,3 28,21 6,1 4,1 1,6 22,86 18 Réhaud à pétrle Plm 0 k 2,6 37,5 51,42 39,8 56,24 2,6 1,9 1,4 17,14 19 Réhaud à pétrle Plm 0 k 1,2 62,3 98,48 55,7 84,99 1,2 1,1 1,1 8,57 Fyer mixte mdifié à 20 pétrle Flm k 2,6 * 53,6 81,97 49,8 74,32 1,9 1,7 1,2 11,43 21 Cuisinière à gaz Plm 0 g 60,9 95,83 59,5 91,86 2,2 1,4 1,7 25,71 22 Cuisinière életrique Plm 0 e 63,1 100,00 64,0 100,00 1,4 1,1 1,3 14,29 Remarque : les des marqués d astérix snt des fyers ayant subi de mdifiatins au urs de la présente étude Les purentages de haleur utilisée Tableau 1 : Paramètres thermiques suivant les fyers. Dans une première analyse seln les ritères de PCU1 et PCUT, n bserve sur la figure 2 que l allure de leurs urbes respetives est semblable ; par nséquent, seul le PCUT sera utilisé dans la suite des analyses. En bservant l évlutin du PCUT*, n remarque mme n puvait s attendre, que l ensemble des fyers testés se divise en deux grupes : les fyers dnt le PCUT* est inférieur à 30% qui nstituent le premier grupe, les inq autres fyers se situant à drite, qui nstitue le send grupe. Le premier grupe, se mpsant de furneaux à mbustibles ligneux (bis, harbn et déhets), leur rendement de nversin de l énergie ptentielle stkée en haleur, est mindre que elui du send grupe nstitué de furneaux à mbustibles fssiles (pétrle, gaz) et du furneau életrique, basés sur des tehnlgies plus avanées. Le fyer «3 pierres» améliré Pst b présente un PCUT* relativement faible, e qui pse un prblème sérieux dans la mpréhensin du terme «améliré» très suvent utilisé en parlant des furneaux perfrmants. Une première apprhe d améliratin entreprise au urs des expérimentatins, a nsisté à réduire la hauteur sus marmite au niveau de es tris furneaux amélirés nstruits en terre ; ei a nduit à une améliratin de leur PCUT*. Les prduits btenus snt les furneaux «Pst b*», «Ps h t b*», «P 2 s h t b*» que l n peut remarquer dans le grupe de furneaux à mbustibles ligneux. Les PCUT* btenus deviennent supérieurs à elui du fyer «3 pierres» Osp 0 b.

5 Afin de rendre pérennes les différentes atins menées par ns pays dans le dmaine général des hangements limatiques, il paraît urgent que les puvirs publis prèdent au ntrôle systématique des différents furneaux vulgarisés sur le territire natinal. Une ertifiatin purra être ardée aux furneaux les plus perfrmants. La figure 2 présente un lassement des furneaux seln le ritère de la flexibilité. Le psitinnement aléatire des furneaux à mbustible ligneux dénte de la diffiulté pur rendre es furneaux flexibles lrs des tests. La flexibilité étant surtut liée à la failité qu ffre le furneau pur le ntrôle du feu, une interventin au niveau du système à mèhes peut amélirer e ritère pur le furneau à pétrle par exemple Influene du vent sur les perfrmanes des furneaux Pur analyser l effet du vent, n a distingué les furneaux uverts, les furneaux fermés et les furneaux prtégés. La figure 2 fait ressrtir deux pints essentiels PCUI* 70 PCUT* F* 60 PCUI* PCUT* F* Osp0b Plab Plmb Plmd Plmp Plj Plmb Plmb Pstb Pstb* Pshtb Pshtb* P2shtb P2shtb* Flmb1* Flmb2* Flmb3* Plm0k2,6 Plm0k1,2 Flmk2,6* Plm0g Plm0e Types de furneaux Figure 2 : Paramètres thermiques suivant les fyers. Les tris premiers furneaux «Flm b 1*», «Flm b 2*» et «Flm b 3*» snt des furneaux mixtes bis/harbn de bis, de type fermés ; ils nt été testés au harbn de bis et mparés aux furneaux à harbn prtégés «Plj» et «Plm n». On bserve que les tris premiers furneaux présentent une perfrmane PCUT* plus élevée que les deux derniers. Cei permet de dire que le nfinement du fyer ave un apprt suffisant de mburant permet d amélirer les perfrmanes des furneaux. Les déperditins snt en effet plus élevées dans les fyers de type uvert u prtégé que dans les fyers fermés. Dans le même as de figure, le fyer à pétrle a été testé en prtégé (Flm k 2,6 ) et en fermé (Flm k 2,6 *). On nstate pur le send un PCUT* de 74,32% tandis que elui du premier est de 56,24% Influene du mbustible On mpare ii des furneaux métalliques de type prtégé (Plm x y). La figure 2 mntre que le furneau «Plm b» utilisant le bis mme mbustible, pssède un ritère PCUT*

6 d envirn 25% alrs que elui du furneau à harbn «Plm n» est d envirn 14%. Pur les furneaux à mbustibles plus élabrés (fssiles et életrique), le PCUT* est relativement plus imprtant Influene du nmbre de fyers (brûleurs) Le furneau à heminée et à deux marmites P 2 s h t b, a un PCUT* plus élevé que elui que elui du furneau à heminée et à une marmite Ps h t b. On retruve le même mprtement pur les fyers amélirés ayant subi une mdifiatin au urs des expérimentatins. Le fyer P 2 s h t b* a un PCUT* de 25% tandis que elui des furneaux à un seul fyer Pst b* et Ps h t b* est respetivement de 10 et 17% Influene du matériau Seln les résultats de la figure 2, n nte une diminutin des perfrmanes des fyers amélirés en terre (Pst b, Ps h t b, P 2 s h t b, Pst b*, Ps h t b*, P 2 s h t b*) par rapprt au fyer métallique «Plm b» et au fyer en argile «Pla b». Ce résultat paraît surprenant puisque les déperditins snt plus imprtantes pur les fyers métalliques et en argile. Les fyers en terre étant massifs, snt le plus suvent nstruits à l extérieur et subissent de e fait l influene des intempéries. Leurs paris peuvent absrber plus d humidité en fntin des saisns et l énergie de séhage des paris sera prise sur le mbustible devant servir à la uissn. Cela pse dn le prblème d explitatin et de maintenane des fyers. 6. Cnlusin L explitatin de la tehnique d ébullitin de l eau a permis de quantifier l influene de ertains ritères de mparaisn des fyers, et il est mntré que seuls le ntrôle et la ertifiatin des fyers purrnt permettre aux puvirs publis de mener une lutte effiae ntre les nséquenes de la défrestatin. Référenes [1] C. A. Hungan, Déterminatin des perfrmanes des fyers utilisés au Bénin par la tehnique d ébullitin de l eau, Mémire de fin de yle, CPU, UNB, Abmey-Calavi, Juillet [2] G. De Lepleire et al, Guide tehnique des furneaux à bis, Edisud Bis de feu Enda Skat, 375p. [3] G. Yamég, Valrisatin de la bimasse : Tehnlgie des fyers amélirés, ACCT/IEPF- IPD/AOS, 23p. [4] Aprveh Researh Center, Évaluatin et Dévelppement de la Tehnlgie des Fyers Amélirés, Leçn 6 : Tests et Évaluatin des Fyers, Advaned Studies in Apprpriate Tehnlgy Labratry. [5] M. Anjrin, C. Awant, L. Fagbémi, C. A. Hungan, M. Feidt, Cdifiatin des fyers à usage dmestique, Cmmuniatin aux Jurnées Sientifiques de l EPAC/UAC, septembre 2002, Abmey-Calavi. [6] B. Westhff, D. Germann, Fyers en image, Bruxelles, 180p. [7] J. Agb, Prblématique des énergies traditinnelles au Bénin, Cmmuniatin, Hôtel GL, Avril 1998, 22p. [8] Cmité du Suivi de la Cnférene des Chefs d Etat et de Guvernement ayant en mmun l usage du français, Institut de l Energie des Pays ayant en mmun l usage du français, Guide de l énergie, Ministère de la Cpératin et du Dévelppement, Agene de Cpératin Culturelle et Tehnique, 1988.