remplacer un échangeur en cuivre par un échangeur inox

[luc25]

bonjour à tous,

j'utilise actuellement un échangeur en cuivre dans un bain marie pour pasteuriser du jus de fruit, et j'aimerai remplacer le cuivre par de l'inox. d'après ce que j'ai lu, la conductivité de l'inox est de 15W/m.K là où celle du cuivre est de 385.
est ce à dire qu'il va falloir que je mettre 25 fois plus de surface sur mon échangeur ?

actuellement je passe 60 litres par heure de jus que j'élève de 70°C dans un bain marie à 90°C.

merci pour votre coup de main !

[Dudulle]

Bonjour

Pourrais-tu me dire (même approximativement) quel est le diamètre et la longueur du tube ?
Question subsidiaire: Est ce que tu élèves le jus de 70°C, ou à 70°C ?

[luc25]

salut Dudulle,

et bien, pour le diamètre, c'est un tube de 16mm standard, en cuivre, épaisseur 1mm. et pour la longueur, en passant les approximations, il y a 11m de tuyau dans le bain marie.
pour ce qui est de l'élévation de température, c'est bien un deltaT 70°K que je fais, je passe le jus de 10°C à 80°C.
la température de pasteurisation est en deça de 80°C, mais histoire d'avoir de la marge, vu que je ne respecte pas de temps de passage à une certaine température, je chauffe plus pour éviter tout problème. ça permet de garder le jus pendant 2 ans sans problèmes.
le problème du cuivre, c'est l'oxydation. vu que le serpentin reste stocké pendant 11 longs mois, sans être utilisé, ben au redémarrage, même après un rinçage, les premiers litres prennent un goût amer.
et en cas de baisse de débit, ben même chose, le jus prend le goût du cuivre.

bonne soirée !

[luc25]

bonjour à tous, salut dudulle,

suite à un document trouvé sur un site, thermique55, thermique.pdf, qui traite des échanges thermiques, il apparaît que le delta de température entre l'extérieur du tube, et l'intérieur, dans le cas du tube en cuivre de 11m, serait de 0,02° pour un flux de chaleur de 5000W. j'ai pris l'hypothèse d'un tube de 1mm d'épaisseur, standard. Je dis 5000W pour arrondir, vu que dans mon cas, les 60litres de jus /heure élevé de 70°C font avec la formule Q=mxCpxDeltaT : 4993W avec m mon débit massique par seconde.
la formule utilisée est la suivante :
Q=2 x pi x lamba(cuivre) x deltaT(extérieur-intérieur) / (ln (R2/R1)) avec R2 rayon extérieur et R1 rayon intérieur.

Dans le cas d'un tube inox qui ferait la même longueur, mais avec une épaisseur de 0,5mm, j'aurai une deltaT entre les deux faces du tube de 0,01°C.
à ce niveau de précision, je ne peux pas dire que remplacer le tube de cuivre par un tube inox ait une réelle influence sur la température de mon jus.
qu'en pensez vous ?

[polo974]

Si ton échangeur est à flux croisé, en fait, l'inox, c'est mieux que le cuivre, car ce dernier conduit trop bien longitudinalement...

Dans le sens de l'épaisseur, de toute façon, un métal (cu 390, inox 15 à 25) conduisant beaucoup mieux qu'un liquide (eau 0.6, huile 0.15), c'est très rarement lui l'élément limitant.

[luc25]

Merci polo.
effectivement, j'en arrive à la même conclusion après avoir beaucoup cherché. en fait, je vais avoir une différence de température à l'intérieur de mon tube de l'ordre de 0,6° suivant que je serai en cuivre ou en inox.
pinuts aux températures où je chauffe, j'arrive de toute façon pas à être aussi précis que ça dans mon contrôle de la température de chauffe !
Merci pour votre participation à ce problème qui n'en est finalement pas un.

[Dudulle]

Bonjour

Désolé de ne pas avoir répondu avant ; donc en reprenant tes données de débit, diamètre et longueur je trouve un coefficient d'échange interne de 1020W/m2.°C, et d'après le résultat obtenu un coefficient externe de 285 W/m².°C (ce qui a priori semble réaliste pour ce genre d'application).

En changeant le tube de cuivre par un tube d'inox de même géométrie la température de sortie passera de 80°C à 79.5°C.

Au passage je voudrais attirer ton attention sur le risque à utiliser un tube de cuivre : Si l'intérieur du tube est en contact avec de l''humidité pendant une longue période une couche de vert de gris peut se former, et ce composé est très toxique. Je te conseillerai de passer l'équivalent d'un verre d'ammoniaque dans le serpentin si il n'a pas été utilisé depuis longtemps, le liquide va ressortir avec une couleur bleue foncée, signe que la couche interne était couverte d'oxyde, puis de rincer à l'eau pendant une 10aine de minutes.

[Dudulle]

Si ton échangeur est à flux croisé, en fait, l'inox, c'est mieux que le cuivre, car ce dernier conduit trop bien longitudinalement...

Dans le sens de l'épaisseur, de toute façon, un métal (cu 390, inox 15 à 25) conduisant beaucoup mieux qu'un liquide (eau 0.6, huile 0.15), c'est très rarement lui l'élément limitant.

Attention: Ici le liquide n'est pas statique, donc ces valeurs de conductivité ne sont pas très pertinentes.

[luc25]

merci Dudulle,

Pas de soucis, j'ai pu chercher aussi, et finir par trouver.
le risque que tu évoques de l'oxyde de cuivre est celui qui me fait changer de matière pour mon serpentin. en effet, d'une part, après un arrêt prolongé de son utilisation, il faut bien le rincer. et d'autre part, j'ai constaté qu'avec un débit faible dans le serpentin, le jus se charge également d'un mauvais goût. j'avais pas pensé à l'ammoniaque. j'essaierai cette année si je n'ai pas reçu mon nouveau serpentin inox.

[Dudulle]

Oui c'est logique, l'oxyde de cuivre n'est pas soluble dans l'eau, donc même en passant pendant 2h ça ne servira à rien. Inversement le jus de fruit contient des acides organiques qui vont solubiliser cette couche.

Pour le nettoyage tu as le choix entre l'ammoniaque ou l'acide chlorhydrique (pas de soude). Il faudra bien rincer ensuite.

[polo974]

Attention: Ici le liquide n'est pas statique, donc ces valeurs de conductivité ne sont pas très pertinentes.

Certes, dans le tuyau, ça bouge, mais très doucement (.1m/s environ sauf erreur).
et coté bain marie il y a juste la convection et éventuellement un agitateur, donc pas grand mouvement non plus...

Par contre, coté oxydation, c'est quoi la marque pour que j'attende avant d'en acheter...

[Dudulle]

Même si la vitesse est faible son influence est considérable, n'as tu donc pas lu ma réponse au message #7 ? Le coefficient est environ 4x plus important entre le coté tube et le coté cuve, et la différence serait encore beaucoup plus grande si le liquide était statique (mélangé avec un gélifiant par exemple).

[Kissagogo27]

Bonjour, un ptit schéma explicatif sur les écoulements laminaires et échanges thermiques ^^ là appliqué aux nanofluides http://www.cooling-masters.com/articles-46-0.html

[polo974]

Même si la vitesse est faible son influence est considérable, n'as tu donc pas lu ma réponse au message #7 ? Le coefficient est environ 4x plus important entre le coté tube et le coté cuve, et la différence serait encore beaucoup plus grande si le liquide était statique (mélangé avec un gélifiant par exemple).

Si, je conçois bien que suivant le type d'écoulement le transfert se fera plus ou moins bien (et effectivement, toujours beaucoup mieux qu'en statique), j'aurais effectivement dû emballer un peu mieux mes chiffres, mais dès qu'on entre un peu dans les "détails" on se retrouve à faire des romans chiffrés (cryptés diraient certains )...

Donc, si on compare les chiffres que tu donnes (de 300 à 1000 W/m²°C suivant qu'on soit hors ou dans le tube) au lambda/e du tube inox (15/.0005 soit 30kW/m²°C), il reste plus d'un ordre de magnitude de différence, ce n'est pas lui qui va changer la donne (sauf à mettre du verre ou pire du PET...).

Et un petit rien de modif du bain marie peut changer bien plus que la matière (en restant dans les métaux usuels) du tube (et cela en mieux ou en pire...).