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[Réchaud] Modèle de prévision de consommation et performance réchaud

Bonjour à tous,

Je me suis lancé dans un gros travail de modélisation et d'expérimentation, je vous fais donc part des résultats sujets à discussion, optimisation... bien sûr.

J’ai plusieurs configurations de réchaud et je viens de faire l’acquisition d’un modèle minimaliste de Caldera avec Esbit.
Je me suis donc lancé dans une étude expérimentale comparative couplée à la constitution d’un modèle prévisionnel de consommation en fonction des durées et conditions (altitude et température) des randonnées.

Si on doit faire le choix pour une randonnée, il y a en fait des critères discriminants autres que le poids. Par exemple en-dessous de zéro l’alcool liquide ne fonctionnera plus ou très mal. Mais en dehors de ces facteurs particuliers j’ai donc comparé plusieurs de mes configurations possibles pour outiller le choix.

Je fournis en annexe un fichier excel qui contient le modèle de calibrage et celui de l’évaluation du besoin que chacun peut reprendre et paramétrer avec ses propres configurations.

1) Modélisation de la performance d’une configuration

J'entends par configuration une configuration de réchaud (popote, brûleur...) et un type de carburant.

Ce qu’on cherche à résoudre pour une configuration donnée c’est de prédire le poids de carburant nécessaire à l’ébullition d’une masse d’eau à une température ambiante et une altitude donnée.

L’énergie nécessaire pour faire bouillir une masse d’eau est :
Energie Ebullition =  Capacité Thermique de l’eau x Masse x (Températures Ebullition – Température Ambiante)

La capacité thermique de l’eau est une constante physique = 4185 J.kg-1.K-1

Où l’on considère que la température ambiante est celle de l’eau au départ.

La Température d’ébullition est variable avec la pression. En thermodynamique le diagramme de Clapeyron représente les changements de phase (solide, liquide et gaz) en fonction de la température et de la pression.
Il existe des tables qui permettent d’avoir ces éléments pour l’eau. En cherchant sur internet je suis tombé sur les travaux de Marcel Délèze qui a mis en ligne le modèle de nivellement barométrique couplé à ces éléments. Qu’il en soit remercié.

Nous avons donc un modèle qui donne la température d’ébullition de l’eau pour une altitude donnée. Je base donc mon calcul sur une extrapolation de la table : http://www.deleze.name/~marcel//physiqu … e.htm.html
Pour info il faut ajouter 1 degré pour de l’eau salée.

En face de cette Energie d’Ebullition on peut mettre l’énergie produit par le réchaud avec la quantité de carburant consommée.

Energie Ebullition = Rendement Réchaud x Masse Carburant Brûlée pour l’ébullition

Le Rendement Réchaud est donc exprimé en Joule/Kg de Carburant, je pars du principe que pour un carburant donnée c’est une constante structurelle (à démontrer par l’expérience).

A l’exception du gaz dont le débit est modulable, les configurations que je possède (réchaud pespi et esbit) sont à débit fixe.
C’est-à-dire que la Masse de carburant brulée est liée au temps par un débit matière propre au réchaud :
Masse Carburant Brulée (Temps) = Débit Réchaud Carburant x Temps   

Ce débit permettra de connaître le temps d’ébullition et d’extrapoler le besoin de carburant pour la cuisson post ébullition.

Pour un réchaud et un carburant donné, je pars du principe que c’est une constante exprimé en Kg/secondes (à valider par l’expérimentation, même si on peut imaginer, vu qu’elle est basé sur un changement de phase que la pression donc l’altitude la fasse varier).
Si c’est bien constant, on peut facilement calculer  la quantité de carburant nécessaire à l’ébullition pour une masse d’eau, une altitude et une température ambiante données :

Masse Carburant Nécessaire (Masse Eau, Altitude, Température Ambiante) = Masse Eau x 4185 x (Température Ebullition(Altitude) - Température ambiante)) / Rendement Réchaud

Le temps nécessaire à l’ébullition est une conséquence du débit fixe :

Temps Ebullition = Masse Carburant Nécessaire (Masse Eau, Altitude, Température Ambiante) / Débit Réchaud Carburant

2) Calibrage des configurations réchaud 
Il va donc falloir calibrer les configurations pour calculer ces deux paramètres.

Ce qui s’obtient en résolvant l’équation suivante :
Energie (en Joule)  = Masse Eau x 4185 x (Température Ebullition - Température ambiante)
Et
Energie (en Joule) = Rendement Réchaud x (masse carburant départ – Masse Carburant arrivée)

Donc
Rendement Réchaud = (Masse Eau x 4185 x (Température Ebullition - Température ambiante)) / (Masse carburant départ – Masse Carburant arrivée)

Et
Débit réchaud =  (Masse carburant départ – Masse Carburant arrivée) / Temps Ebullition

Le protocole pour le calibrage est le suivant :

• On mesure la température de l’eau ou sinon la température ambiante : Température Ambiante

• On pèse la quantité d’eau à chauffer : Masse Eau

• On mesure le poids du réchaud avec le carburant de départ dedans : Poids carburant départ

• On allume le réchaud et on démarre le chronomètre jusqu’à ébullition : Temps ébullition

• On retire la popote et on éteint le réchaud avec un bol par exemple puis on pèse le réchaud avec le carburant restant : Poids carburant arrivée

En soustrayant les deux poids on va neutraliser le poids du réchaud et restera le Poids de carburant consommé pour l’ébullition.

3) Résultat du calibrage

Vous trouverez les résultats de ces expériences dans l’onglet Historique Mesures.
Pour chacune de configurations, il suffit de remplir la ligne mesure en jaune avec les éléments collectés, les autres colonnes se calculent toutes seules sur la base des équations expliquées ci-dessus.
Il suffit de reporter les mesures dans les lignes au-dessus en en insérant autant que nécessaire pour avoir un jeu cohérent. J'ai fait trois séries de mesures pour chacune des configurations.

L’onglet Clapeyron Eau Alt contient les valeurs du tableau d’ébullition en fonction de l’altitude qui sert de fonction d’extrapolation de la température d’ébullition pour une altitude donnée.

4) Scénario de randonnée

L’onglet Scénario permet de calculer le poids nécessaire de carburant et de comparer différentes configuration pour choisir la moins lourde.
Elle s’alimente pour chacune des configurations des deux paramètres de réchaud calculé sur la moyenne des mesures de l’onglet Historique Mesures.
Le scénario est défini en remplissant les champs en jaune :

• Quantité eau moyenne en gr

• Altitude Moyenne Bivouac en m

• Température Moyenne Haute en C°

• Température Moyenne Basse en C°

• Temps de cuisson de référence en min

• Nb Cuisson par Jour

• Nb Jours

• Nb Repas par Jour

Tous les autres éléments sont calculés à partir de constantes réchaud.

J’ai fait le choix de calculer 2 jeux de valeur en fonction de deux températures ce qui permet de calculer une bonne marge à l'intérieur d'un intervalle de température (Haut pour la température haute et Bas pour la moyenne basse).
Il faut aussi alimenter la colonne poids configuration avec le poids (i.e. Popote + réchaud  + Parevent + couvercle…)

Cas particulier du temps de cuisson

Si on souhaite faire cuire quelque chose, il faut rajouter le temps de cuisson au temps d’ébullition. Ce temps de cuisson varie avec l’altitude puisque le poids d’ébullition baisse avec l’altitude croissante. Ce qui veut dire qu’il faudra plus de temps de cuisson en altitude.

L’onglet Durée Cuisson Alt décrit la variation du temps de cuisson en pourcentage du temps indiqué avec l’altitude qui sert aussi de fonction d’extrapolation.
Je suis parti du modèle de cuisson des pâtes sur les paquets Sud-Américain, à 3000 m il faut rajouter 50% du temps de cuisson de départ par exemple.

Dans la mesure où on a un débit fixe (à moins d’utiliser un simmer ring) pour les réchauds alcool ou Esbit, le carburant nécessaire à la cuisson est directement calculable à partir du débit matière du réchaud.
Pour le gaz c’est différent puisque qu’on va baisser le débit une fois l’ébullition obtenue, mais je n’ai pas pu calculer le débit de maintien à ébullition pour le gaz, je considère qu’il est divisé par deux par rapport au débit max utilisé pour l'ébulition.

5) Détail des scénarios

Une fois qu’on a saisi la configuration de la randonnée, le système calcule les différents scénarios.
Pour chacune des températures on va avoir le poids nécessaire à une ébullition avec le temps correspondant.

Le Total Carburant est simplement ce poids multiplié par le nombre de jours et le nombre de repas par jour auquel s’ajoute le poids de cuisson multiplié par le nombre de cuisson par le nombre de jour.

Cas particulier de l’Esbit : dans la mesure où les doses d’Esbit ne sont pas facilement adaptables, il faudra consommer un Esbit de 14 gr à chaque fois qu’on aura besoin d’un poids carburant ébullition inférieur ou égal à 14 gr. C’est ce qui est pris en compte dans le calcul de poids carburant.

Le Total Poids fait la somme du Total Carburant avec le poids de la configuration et le poids des conteneurs de carburant. Pour ce faire il faut aussi renseigner le poids du conteneur et la capacité du conteneur. Une pompote pèse 5 gr et contient 90 gr d’alcool, pour le gaz une cartouche de gr de métal contient 100 gr de gaz, etc.

Le nombre de conteneurs en fin de tableau donne le nombre de conteneurs à emporter.

6) Analyse de mes configurations et retour sur le calibrage

J’ai testé 6 configurations différentes :

• Caldera Fissure Alcool 90 Med : Caldera Cone Fissure avec un evernew de 640 ml, réchaud pepsi et alcool médical à 90°.

• Caldera Fissure Alcool à brûler : Même que précédent mais avec de l’alcool à brûler à 90°

• Caldera simple Alcool 90 Med : Caldera Cone avec protection, un evernew 500 ml, réchaud pepsi et alcool médical à 90° 

• Caldera simple Alcool à brûler : Même que précédent mais avec de l’alcool à brûler à 90°

• Gaz Optimus 75b/25p : Evernew 500 ml + Fire Mapple FMS 300T Hornet + Gaz Optimus 75% Butane et 25% Propane.

• Minimalist Esbit : Caldera Cone + Tasse evernew 400 ml + ruban silicone + réchaud Esbit

A titre d'exemple le fichier Excel est instancié avec le scénario GR20 que j'avais fait en 2013 à savoir :

• volume d'eau pour le petit déj ou les lyos de 375 gr

• Altitude bivouac moyenne 1500 m

• Température entre 25 et 15 °C

• 9 jours de randonnée

• 2 repas par jour (nécessitant du chauffage) petit déj et dîner

• Pas de cuisson

Ce qui donne les résultats suivant :

Configuration	Total Haut	Carbu. Haut	Poids Ebu. Haut	Temps Ebu. Haut	Total Bas	Carbu. Bas	Poids Ebu. Bas	Temps Ebu. Bas
Caldera Fissure Alcool à Brûler	348	186	10	5 min 53 s	374	212	12	6 min 43 s
Caldera Fissure Alcool 90 Med	346	184	10	5 min 26 s	372	210	12	6 min 12 s
Gaz Optimus 75b/25p	430	119	7	2 min 48 s	447	136	8	3 min 12 s
Caldera Simple Alcool à Brûler	326	179	10	5 min 55 s	356	204	11	6 min 45 s
Caldera simple Alcool 90 Med	319	172	10	5 min 7 s	348	196	11	5 min 51 s
Minimalist Esbit	355	252	8	7 min 9 s	355	252	9	8 min 10 s

Pour cette randonnée le Caldera simple Alcool 90 Med est la configuration la plus légère au total. Il m'aurait fallu 2 pompotes pleines environ en consommant 10gr de carburant à chaque réchauffage.
Même si l'esbit ne consomme que 8 à 9 gr par ébullition il faudrait quand même utilisé des 14gr à chaque fois, il est un peu moins performant au total. Si on se donne la peine de gérer des tablettes de 4 gr, la prévision prend son sens il peut redevenir la configuration la plus optimale.

Quelques enseignements :

• Le calibrage des réchauds est assez cohérent, les constantes sont assez proches avec les variations de volume d’eau. Idéalement il faudrait tester à une autre altitude pour voir comment évolue les paramètres.

• La configuration gaz "gagne" dans les randonnées longues au-delà de 10 jours à condition d'adapter la taille des cartouches en 220 gr de gaz ou plus. De plus il y a des situations où les autres ne marchent pas.

• La configuration Esbit est plus intéressante pour des petites randonnées, en générale en dessous de 5 jours, environ une dizaine de repas. Après cela les réchauds alcools sont meilleurs car on consomme que ce qui est nécessaire et pas les tablettes de 14 gr à chaque fois en fait. C’est par contre le temps d'ébullition le plus long du fait d’un débit plus faible.

• Entre les deux configurations caldera, il y a peu de différence mais on voit que les grands modèles sont un peu moins performants  que les modèles plus compacts.

• L’alcool à 90° médical chauffe beaucoup plus vite que l'alcool à brûler, presque une minute de moins pour 400 ml d’eau. Mais son rendement est quasiment le même que l’alcool à brûler qui brûle plus lentement mais ne fait pas presque pas de différence en terme de poids de carburant à emporter. C’est intéressant je pensais que ce serait plus performant mais ce n’est pas le cas.

Voilà c'est à peu près tout à ce stade ;-)

Bonne rando à tous !

[édito] Prise en compte de la remarque de Vencalm.

Dernière modification par enduser (30-12-2014 11:07:45)

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ventcalme

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Lieu : Bzh

Inscription : 29-10-2011

Re : [Réchaud] Modèle de prévision de consommation et performance réchaud

Bonjour enduser,

Est ce que ton exposé est complémentaire de celui ci : Besoins en carburant ? Je ne sais pas si tu l'as utilisée, mais la feuille de calcul développée par chouxrave est vraiment bien. Au moins pour le gaz, j'ai pu constater qu'elle correspond bien à la réalité.

La configuration gaz ne « gagne » jamais. Même s’elle a la consommation de carburant est la plus basse, le poids du conteneur (i.e. la cartouche) ne la rend jamais compétitive.

Meme si mon expérience des réchauds a alcool est assez réduite, je ne suis pas d'accord avec toi sur ce point. La feuille de calcul que je mentionne permet de s'en rendre compte.

Dernière modification par ventcalme (29-12-2014 21:56:53)

enduser

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Inscription : 20-09-2008

Re : [Réchaud] Modèle de prévision de consommation et performance réchaud

Bonsoir Ventcalme,

C'est le même genre d'exercice, mais comme chouxrave c'était un peu compulsif, je n'ai pas cherché sur le forum avant de faire l'exercice au début pour moi.
Donc ce n'est pas un complément mais un autre exercice.

Sa feuille est très bien et plus pointu en statistique, j'ai pris l'angle de relier le calcul du besoin à l'altitude et à la température ambiante pour un point d'ébullition.
En récupérant la table de Clapeyron on peut aller intégrer cela dans la sienne.

Si j'ai compris sa formule, j'obtient le même paramétrage que son exemple  11 jours 3 repas 500g d'eau, 15° ambiant et 3000 m (ébullition à 90°) mais je trouve 312 gr de gaz au lieu de 213 gr par contre je suis presque au même résultat en alcool et en esbit pas loin non plus.
Avec son débit variable le gaz doit être le plus dur à calibrer.

Mais tu as raison pour le gaz, avec des cartouches plus grandes (il suffit de changer les valeurs de la case conteneur et contenance en passant à 130 et 230) il y a des configurations favorables au gaz.
Je vais peut-être automatiser ça car les différentes tailles de cartouche sont standards et d'ailleurs référencées chez chouxrave.

Je ne comprends pas comment il relie les mesures expérimentales à son tableau qui donne les PCI, moi je ne trouve pas les mêmes valeurs expérimentalement (colonne Rendement Réchaud J/kg /1000 = PCI) ?

Dernière modification par enduser (30-12-2014 10:54:33)

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