Dimensionnement d’un échangeur air/eau

[HAL10]

Bonjour,

A côté d’une mini piscine de rééducation de 7 m³ (2 x 3 m), il s’agit d’adjoindre un séchoir corporel pour une personne incapable de s’essuyer.

L’idée est de profiter de la chaleur de l’eau de la piscine (maintenue à 35°C) pour réchauffer l’air qu’un ventilateur de 250W soufflerait à travers un échangeur air/eau pour alimenter un caisson (220x60x3 cm) percé d’orifices (façon colonne de douche) de façon à ce que l’air sorte de ces orifices entre 25 et 30°C, ceci sachant que :
− la température de l’air ambiant = 22°C (hygrométrie = 50 %),
− le débit de circulation de l’eau = 10 m³/h,
− la longueur du tube en acier (isolé) reliant l’échangeur et le caisson/séchoir = 60 cm,
− la puissance choisie pour le ventilateur (250W) tient au fait que c’est celle du séchoir corporel suivant (je n’en connais ni le pas, ni le diamètre) :
http://www.haystack-dryers.com/breeze_dryer.php
− l’objectif est d’obtenir un delta T de 3 à 8°C.

Le problème est de dimensionner cet échangeur air/eau, de trouver un modèle performant (de quel type ?) et un fournisseur.
C’est aussi de dimensionner le ventilateur, ainsi que le nombre et le diamètre des orifices, de sorte que le débit d’air et la pression permettent un séchage corporel en moins de 3 minutes.

Merci beaucoup de votre aide.
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[Julien39100]

Bonjour,

Si je comprends bien l'installation serait composée d'un circuit primaire (piscine--> échangeur) et d'un circuit secondaire (échangeur--> séchoir). Comment est constitué ce séchoir en interne ?
Quel est le débit d'air du séchoir ?

Cordialement,

[HAL10]

Bonjour Julien,

Le circuit de l’eau est le suivant :
Piscine > skimmer > pompe > filtre à sable > réchauffeur > piscine.

Il s’agirait de placer l’échangeur air/eau entre le réchauffeur et le retour à la piscine.
Cet échangeur serait doté d’un ventilateur (comme pour les radiateurs de voiture), l’air étant ainsi pulsé dans un caisson (220x60x3 cm) percé d’orifices (façon colonne de douche) par où l’air doit sortir avec un débit assez fort pour sécher une personne handicapée.

Le circuit de l’air serait le suivant :
Air ambiant > ventilateur > échangeur > tube isolé de 40 cm > caisson/séchoir

[Julien39100]

Dans ce cas, si on choisis une vitesse d'air en sortie du caisson de 6m/s :
Rapporté au dimensions de votre caisson, disons que la surface de passage représente 2/3 de la surface totale, il faudrait un débit de 2,2*0,6*2/3*6, ce qui fait tout de même 19000 m3/h, c'est juste énorme ! ramené à 2m/s le débit nécessaire serait encore de 6300 m3/h...

[A voir en vidéo sur Futura]

[EauPure]

Dans votre lien c'est un séchoir infrarouge donc c'est un rayonnement, pas un ventilateur
Pourquoi ne pas utiliser un sèche cheveux en bas de votre colonne déclenché par un radar ?

[HAL10]

Bonjour Julien,
Merci pour cette réflexion.
Les dimensions du caisson 220x60x3 cm ne me semblent pas importantes, car c’est le nombre et de diamètre des orifices qui détermine la vitesse de l’air en sortie. Je projetais 40 orifices de 2 cm de diamètre, mais peut-être est-ce trop. Surface d’un orifice 3,14 cm² x 40 = 126 cm².

D’un sèche-cheveux mural, l’air sort à une vitesse de 105 Km/h, c’est-à-dire 29 m/s, pour un bouche de 5 cm de diamètre (19,6 cm²), une puissance moteur de 200 W, offrant un débit d’air de 75 l/s, c’est-à-dire 345 m³/h et une puissance de chauffe de 2 kW (le corps nécessite une chaleur moindre que les cheveux).

Si je ne me trompe, une règle de trois donne : 345x126/19,6 = 2218 m³/h.
Est-ce exact ? Dans ce cas, il faut un ventilateur de quelles dimensions (diamètre, pas et puissance en Watts) ?

[HAL10]

Bonjour EauPure,
Les lampes infrarouge sont un plus pour le séchoir présenté. Les bouches d'aérations sont visibles en haut, en bas, à droite et à gauche.

En voici une illustration médicale (en vidéo) : https://www.youtube.com/watch?v=5m0NFHfwuRc

Autre illustration vidéo (le fabricant a déposé le bilan) :
https://www.youtube.com/watch?v=Vy3vm2hOmMU

L’utilisation d’un sèche-cheveux est exclue, car il s’agit d’installer le sèche-corps dans la douche (sécurité électrique) et parce qu’il en faudrait plusieurs, avec une trop grande puissance de chauffe.

[Boumako]

Bonjour

Quand tu parles d'un Dt de 3 à 8°C tu veux dire sur l'air ?

[HAL10]

Oui, c'est pour l'air, qui devrait passer de 22°C (ambiant) à 25-30°C.

[EauPure]

L’utilisation d’un sèche-cheveux est exclue, car il s’agit d’installer le sèche-corps dans la douche (sécurité électrique) et parce qu’il en faudrait plusieurs, avec une trop grande puissance de chauffe.

Dans votre solution il y a un ventilateur et il doit être électrique
Un sèche cheveu est bien protégé, surement plus qu'un ventilateur

[EauPure]

Bonjour Julien,
Merci pour cette réflexion.
Les dimensions du caisson 220x60x3 cm ne me semblent pas importantes, car c’est le nombre et de diamètre des orifices qui détermine la vitesse de l’air en sortie. Je projetais 40 orifices de 2 cm de diamètre, mais peut-être est-ce trop. Surface d’un orifice 3,14 cm² x 40 = 126 cm².

D’un sèche-cheveux mural, l’air sort à une vitesse de 105 Km/h, c’est-à-dire 29 m/s, pour un bouche de 5 cm de diamètre (19,6 cm²), une puissance moteur de 200 W, offrant un débit d’air de 75 l/s, c’est-à-dire 345 m³/h et une puissance de chauffe de 2 kW (le corps nécessite une chaleur moindre que les cheveux).

Si je ne me trompe, une règle de trois donne : 345x126/19,6 = 2218 m³/h.
Est-ce exact ? Dans ce cas, il faut un ventilateur de quelles dimensions (diamètre, pas et puissance en Watts) ?

Sur 126 cm² la vitesse de sortie de l'air débité par le sèche cheveux serait de 4,51 m/s (=19,6*29/126)
il serait aussi accéléré par la convection mais je ne sais pas si c'est significatif

[Boumako]

Bonjour

Pour réchauffer 10 000m3/h d'air à 28°C il faudrait un échangeur d'environ 20m² ; la puissance échangée étant alors de 2800W. La relation reste proportionnelle si tu veux calculer d'autres points.
La température d'eau en sortie de l'échangeur ne change presque pas (tu pourrais d'ailleurs réduire le débit).

Je voudrais tout de même attirer ton attention sur un point critique : Les sécheurs à air pulsés utilisent un air beaucoup plus chaud (50 à 70°C), pour limiter la baisse de température par évaporation. Avec un courant d'air aussi fort et une température aussi faible l'opération ne sera pas très agréable.

il serait aussi accéléré par la convection mais je ne sais pas si c'est significatif

Que veux tu dire ?

[HAL10]

@EauPure :
La règlementation électrique exige un indice de protection IP X5 pour qu’un appareil puisse être placé en zone 1 (dans la douche) et les sèche-cheveux ont un IP X1, donc à placer en zone 3, à + de 2,25 m de la douche.

Je précise que le caisson/séchoir serait dans la douche, mais que l’échangeur et son ventilateur seraient dans le vide sanitaire placé dessous (la douche est en effet surélevée de 65 cm, au niveau de l’accès à la mini piscine hors sol qui, elle, est haute de 1,30 m), de sorte que les éléments électriques seraient en dehors de la zone humide, quoiqu’à la même température ambiante (22°C).

[HAL10]

@EauPure :
Pour la règle de trois, je trouve plutôt : 29*126/19,6 = 186,5 m/s pour les 40 orifices, donc 4,66 m/s par orifice 2 cm de diamètre. Est-ce exact ?

Pour l’instant, je laisse de côté la convection.

[HAL10]

Bonjour Boumako,
Tu écris que « pour réchauffer 10 000m3/h d'air à 28°C il faudrait un échangeur d'environ 20m² ; la puissance échangée étant alors de 2800W », mais as-tu bien tenu compte du fait qu’il s’agissait juste d’une augmentation de température de 3 à 8°C, soit un delta T de 5,5°C en moyenne, pour passer de 22°C à 25-30°C ? Merci pour cette précision.

Une autre question : pourquoi parles-tu de 10.000 m³/h ?
En fait, d’après mon calcul il faudrait juste 2218 m³/h.
Si la relation est bien proportionnelle, cela signifie-t-il que j’aurais besoin d’un échangeur de :
20*2218/10.000 = environ 4,5 m². Est-ce exact ?
Quelle est en fait ta formule ?

Tu parles d’un échangeur de 20 m². Pour quel type d’échangeur ? À ailettes ? Dans ce cas, tu parles de la surface d’échange, pas de la taille de l’appareil, j’imagine. C’est bien ça ?

Les séchoirs corporels soufflent entre 24 et 45°C, contre jusqu’à 75°C pour les sèche-cheveux. Pour obtenir un air à 30°C à 2218 m³/h, il faudrait miser sur un échangeur de quelle surface d’échange ?

Merci pour votre aide !

[Boumako]

Je me rend compte que j'ai complétement foiré mon calcul précédent... Je vais te donner le détail avec les étapes, pour éviter de me tromper et pour que tu puisses le faire par toi même.

Il faut commencer par effectuer un bilan énergétique : D'un coté ton air se réchauffe, de l'autre l'eau se refroidit.

Si par exemple tu veux réchauffer 3600m3/h d'air (1m3/s) à 30°C (+8°C) il faudra céder une puissance de 1 m3/s * 8°C * 1250 J/m3°C, soit 10 000 joules/seconde, ou 10 000 watts.
Cette puissance provient de l'eau. Tu as un débit de 10 000 l/h, soit 2.78kg/s. La température de l'eau va baisser de 10 000 / (2.78 * 4180) = 0.9°C, elle passe donc de 35 à 34.1°C

Dans l'échangeur l'eau passe progressivement de 35 à 34.1°C, on peut dire qu'elle a une température moyenne de (35 + 34.1) / 2 = 34.55°C
Coté air la température passe de 22 à 30°C, soit une moyenne de 26°C.
On peut donc dire qu'entre les 2 cotés de l'échangeur on a un Dt de 34.55 - 26 = 8.56°C (le calcul réel est un peu plus compliqué, mais ça fera l'affaire pour ce type d'échangeur)

Pour calculer la surface nécessaire on calcule S = P / (Dt * U), avec S la surface en m², Dt = 8.56°C et U le coefficient d'échange global d'un échangeur à ailettes eau/air.

Ce coefficient U est très variable (il dépend surtout de la vitesse de l'air et en partie de l'espacement entre 2 ailettes). Approximativement tu peux prendre U = 20 + 4 * vitesse en m/s. Si la vitesse de l'air dans l'échangeur est égale à 10m/s tu aura une valeur de U d'environ 60 W/m²°C

Dans ces conditions il faudrait donc une surface d'échange de 10 000W / (8.56°C * 60W/m²°C) = 19.5m²

[EauPure]

@EauPure :
Pour la règle de trois, je trouve plutôt : 29*126/19,6 = 186,5 m/s pour les 40 orifices, donc 4,66 m/s par orifice 2 cm de diamètre. Est-ce exact ?

Pour l’instant, je laisse de côté la convection.

ça me semble curieux qu'en augmentant la surface on augmente la vitesse mais il est vrai que ma règle de trois ne s'appliquerai que sur un fluide très peu compressible comme l'eau qui ralenti quand on augmente la surface de sortie.

[HAL10]

Curieux, en effet ! J’ai dû me tromper en répondant à l’aveuglette (ne connaissant pas les formules de base).

[HAL10]

Boumako dit : « La question, toute la question, rien que la question ».

La question, c’est pour moi de savoir tout d’abord si est bonne ou farfelue l’idée de récupérer la chaleur de l’eau (35°C) pour obtenir une augmentation de température de l’air ambiant (de 5°C) à travers un échangeur air/eau, ceci sachant que le débit d’air nécessaire pour obtenir un séchage corporel en 2 minutes semble devoir être de 2218 m³/h (si mon calcul est bon) et pour peu que le nombre (40) et le diamètre des orifices (2 cm) soient pertinents.

Si cette idée est bonne en principe, il reste à dimensionner l’échangeur, le ventilateur et les orifices (nombre et diamètre). Puis à trouver un modèle et un fournisseur valables.

Une suggestion : à l’entrée du ventilateur, l’air pourrait être capté dans l’espace-douche (6 m³), là même où le séchoir enverrait l’air réchauffé. De la sorte, il y aurait un « effet larsen », c’est-à-dire une élévation arithmétique de la température :
22°C + 5°C = 27°C >> + 5°C = 32°C… plafonnant à 35°C (température de l’eau).

Une autre idée pourrait être de trouver comment exploiter la mini piscine elle-même comme échangeur air-eau, sachant que cette piscine hors sol sera en inox (2 m x 3 m ; profondeur de l’eau = 1,20 m), avec une margelle (rebord périphérique) de 15 cm. Dans ce cas, le problème se limiterait au dimensionnement de canalisations (d’air) et d’un ventilateur. Mais je n’arrive pas à imaginer le concept. Vous inspire-t-il ?

[HAL10]

Merci Boumako.
Je récapitule, au cas où se révélerait une lacune dans ma compréhension.

1) J’accepte de considérer que mon besoin serait
de réchauffer 3600m3/h d'air (1m3/s) à 30°C (22°C ambiant + 8°C).

2) Cela nécessiterait que l’eau cède 10 000 joules/s, donc une puissance de 10 kW.

3) Le débit de l’eau étant de 10 m³/h (10 000 l/h ou 2,78 kg/s), elle perdrait 0,9°C au passage, sortirait de l’échangeur à 34,1°C et aurait donc une température moyenne de 34,55°C dans l’échangeur.
(A noter que je n’ai pas compris d’où venait le nombre 4180).

4) L’air entrant à 22°C et sortant à 30°C, il aurait une température moyenne de 26°C dans l’échangeur.

5) La différence de température moyenne entre l’air et l’eau est donc de 8,56°C.

6) La surface d’échange nécessaire dans un échangeur à ailettes ayant un coefficient d’échange global de 60 W/m²°C, la vitesse de l’air étant de 10 m/s, serait donc de 19,5 m², arrondis à 20 m² : S = P/(Dt*U) = 10 kW/{8,56°C*[20+(4*10m/s)]}
(A noter que je n’ai pas compris d’où venaient cette mesure de 10 m/s, le nombre 20 et le nombre 4).

Questions ultimes :
A) Connais-tu un bon modèle d’échangeur de ce type ?
B) Sinon comment décrire ses caractéristiques auprès d’un fabricant ?
C) Connais-tu un bon modèle d’appareil combinant cet échangeur et un ventilateur correspondant à ce débit d’air et à cette vitesse d’air ?
D) Sinon comment décrire les caractéristiques d’un tel ventilateur auprès d’un fabricant ?

A noter que je ne connais pas la différence entre débit, pression et vitesse de l’air, ni la formule de leur rapport (qui me rendrait autonome).

Un grand merci pour tes précieuses explications.

[HAL10]

Je précise que cette piscine en inox sera composée de feuillards épais de 2 mm renforcés par un cadre métallique, de sorte qu'elle soit autoportante. Il s'ensuit que sous la margelle périphérique (de 15 cm) existe une lame d'air périphérique de 15 cm, ce qui représente 2 m³.

[HAL10]

Je précise que cette piscine en inox sera composée de feuillards épais de 2 mm renforcés par un cadre métallique (la structure est autoportante). Il s'ensuit que sous la margelle périphérique (de 15 cm) existe une lame d'air périphérique de 15 cm (isolée des murs) qui représente 2 m³ d'air déjà à 34°C.

Je me demande donc si ce volume ne pourrait, tel quel (ou amélioré), servir d'échangeur, sachant que sa surface de contact avec les parois immergées de la piscine est de 12 m², sinon de préchauffage.

[HAL10]

En prime, il me semble que cet échangeur/séchoir peut servir de chauffage pour le local, du moins s’il peut être doté d’un thermostat d’ambiance. Est-ce compliqué à réaliser ?

[Boumako]

Il faudrait un échangeur à ailettes et un ventilateur type ventilation tertiaire, mais j'ai peur que la communication soit compliqué car la perte de charge de l'échangeur dépend du débit, et le débit du ventilateur dépend de la perte de charge.
A mon avis le plus simple serait peut être de t'adresser à un fabricant de batteries à eau chaude en incluant directement le ventilateur dans l'offre et la problématique de l'IP, car ton cas est un peu particulier. Voici un peu de documentation sur le sujet : http://espacepro.france-air.com/favo...pload/?id=1597

[HAL10]

Merci encore Boumako.
Je vais m’adresser à ce fabricant.
Sais-tu combien coûte cet appareil ?

Qu’entends-tu par « communication » ?

[Boumako]

Ce que je voulais dire c'est que les spécifications du ventilateur dépendent de l'échangeur et vice versa. En demandant à 2 fabricants différents il sera difficile d’arrêter des spécifications.
En ce qui concerne le prix je dirais 2000 à 3000 euros.

[HAL10]

OK Boumako.
J’avais trouvé cet échangeur, auquel il manque le ventilateur :
http://www.france-air.com/Portals/0/...PC_2642_49.pdf

Tarif intéressant :
http://www.france-air.com/Portals/0/...PT_2932_69.pdf

Et ce fabricant de ventilateurs de qualité :
http://www.ebmpapst.fr/fr/

Mais tu m’avertis du risque d’incompatibilité…

J’ai aussi trouvé ceci :
http://www.france-air.com/portals/0/...pc_2276_81.pdf
et
http://www.france-air.com/Portals/0/...PC_3145_54.pdf

Et ceci :
http://www.prospair.com/contents/fr/..._Tertiaire.pdf >

Je ne sais comment choisir…
As-tu un avis sur ces équipements ?
Merci encore.

[Boumako]

Bonjour

Il suffit de comparer les performances de ces échangeurs. Prenons par exemple le Systair EC 710. Il échange 58kW avec une eau qui entre à 90°C et sort à 70°C (t° moyenne = 80°C) et un air qui entre à 15°C et sort à 43°C (t° moyenne = 29), soit un Dt = 51°C.
Pour un Dt de 51°C on échange 58kW, donc pour un Dt de 8.56°C (calculé plus haut) on échange 8.56 / 51 * 58 = 9.7kW.
Il nous faut 10kW, donc à priori ça passe, mais on voit qu'il faut tout de même prendre le plus gros de la gamme.

En ce qui concerne le ventilateur le paramètre important est la pression qu'il peut générer. La perte de charge de l'échangeur est égale à 41pa à 6156 m3/h. Il suffit de prendre un ventilateur de 3000m3/h avec une pression d'environ 50pa pour prendre un peu de marge. Avant de faire le moindre achat je te conseille tout de même de consulter le revendeur.

[HAL10]

La classe !
De rendre service comme ça.
Et avec cette clarté.

J'étudie tout ça demain matin.

Un grand merci.
Bonne soirée.

[HAL10]

Bonjour Boumako.
Je crois que j’ai tout compris et je vais consulter les fabricants.

Je me dis que si tu as choisi l’exemple du Systair EC 710, c’est que tu l’as trouvé plus approprié à mon cas que les autres de mes trouvailles.
>> Est-ce exact ?

Quand tu me disais que les spécifications du ventilateur dépendent de l'échangeur (et vice versa) et qu’arrêter des spécifications en demandant à 2 fabricants différents sera difficile, pensais-tu aux diamètres entrée/sortie et à la nécessité de trouver des adaptateurs ou est-ce plus compliqué ?

Une autre question :
Quelqu’un m’a dit que si c'était pour une personne une ou deux fois par jour, le jeux n’en valait pas la chandelle (investissement trop lourd pour être amorti) et qu’une batterie électrique semblait plus adaptée, comme celle-ci (mais de quelle puissance ?) qui semble aussi sans ventilateur :
http://www.prospair.com/contents/fr/...ectriques.html

Cela signifierait que mon projet (visant les économies d’énergie en profitant de la chaleur de l’eau de la piscine) ne serait pas si judicieux que ça.
>> Est-ce ton avis ?

Sur le principe j’ai aussi une autocritique. Si l’eau pompée 24h/24 pour le circuit de filtration passe toujours par cet échangeur air/eau, même quand celui-ci n’est pas utilisé par le séchoir corporel, (il ne l’est que 6 minutes /jour), cet échangeur étant par nature un dissipateur de calories, il refroidit l’eau en permanence, contraignant le réchauffeur à rétablir sans cesse les 35°C. Pour éviter cela, je peux ajouter une vanne 3 voies, mais alors l’eau n’aura pas le temps de chauffer les ailettes, à moins de penser à ouvrir la vanne un certain temps à l’avance. Ce n’est pas pratique et les oublis rendraient l’outil inutilisable (air froid).

Je me suis appliqué à explorer la piste d’une batterie électrique. Cela m’a donné l’idée d’une solution multifonctions : séchoir corporel + chauffage et ventilation des locaux, à partir d’un chauffage air pulsé électrique gainable. Voici ce que ça donne (fichiers joints).
>> L’idée est-elle pertinente ?

Merci.