Dimensionnement d'un système de chauffe pour une cuve de brassage

[inviteba38df69]

Bonjour à tous,

Je suis entrain de construire ma micro-brasserie et je sèche sur le dimensionnement de mes échangeurs pour ma cuve de brassage.
Pourriez-vous m'aider?


Voilà les données que je possède :

- j'ai une chaudière mazout de 67 kW équipée d'une pompe ayant un Qmax de 2.4m3/heure.

- devant amener mon moût à ébullition, je vais travailler avec de l'eau surchauffée à 110-115°C sous une pression de 4 à 5 bars.

- j'ai une cuve en inox de 800 litres utile, diam 1.20m x hauteur 0.80m, parois en inox de 1mm d'épaisseur, isolation P.U. de 50mm. Couvercle en alu non isolé.

- il y a un échangeur inox soudé sur le fond de la cuve. Surface d'échange avec la cuve d'environ 1m². Volume approximatif de 4 litres.

- je dois chauffer de l'eau avec une montée en température de 1°C/min


Voilà les questions que je me pose :

- Ma chaudière est-elle assez puissante pour respecter une montée en température de 1°C/min?
Si non, quelle montée en température pourrais-je envisager?

- Mon échangeur est-il suffisant pour chauffer tout le volume d'eau ou dois-je envisager de mettre un second échangeur autour de la cuve?

Merci pour vos réponses.

Mat
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[phys4]

Bonjour,

Suivant les paramètres que vous donnez il vous environ 60 KW pour obtenir 1°/min, la chaudière est donc adaptée.

Par contre l'échangeur risque d'être un peu faible, il faudrait savoir quel est le débit du circuit entre chaudière et échangeur ?

Que veut dire Qmax ?

[inviteba38df69]

Merci pour ta reponse.
Qmax = Débit max de la pompe du circuit entre la chaudience et l'échangeur. 2400 litres/heure

[phys4]

Les éléments pour l’échangeur sont :

Qmax = Débit max de la pompe du circuit entre la chaudière et l'échangeur. 2400 litres/heure

En prenant une épaisseur moyenne d'inox de 3mm = cuve + tuyau échangeur + perte soudure ?
Indiquer si le tuyau est fait d'un matériau différent et son épaisseur ?

J'obtiens gradient thermique dans les parois 11°
Perte dans l'eau de l'échangeur, qui ne fait que 40 l/min = environ 20°
Soit un gradient total de 31° pour passer cette puissance.
La surchauffe a 115° permettra donc de monter à 1°/min jusque 80° à 85°C, au delà il y aura un ralentissement de chauffe qui atteindra 0,5°/min à 100°C

N'hésitez pas à communiquer toute précision supplémentaire.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteba38df69]

On peut considérer que l'épaisseur à prendre en compte est de 1mm car c'est une tôle emboutie en inox qui est soudée directement sur la parois de la cuve et non un tuyau (voir photo - désolé pour la taille...).

Pour reprendre toutes les données :

La surface d'échange est de 1m² environ pour une épaisseur de 1mm
Le volume d'eau de l'échangeur est de +/- 4 litres (20m de longueur x 2cm² de section)
La montée en température doit être de 1°C/min pendant la phase de brassage soit de 50 à 80°C environ.
La pompe à un débit max de 2400 litres/heure
La température de départ est de 110 à 115°C
Le volume à chauffer est de 800 litres max (on considère les caractéristiques du moût égales à celle de l'eau)

Y a-t-il des formules, un tableau ou tout autre outil pour effectuer ces calculs?
Je serais intéressé de savoir comment vous faite...

Merci!
Mat

[Boumako]

Bonjour

La surchauffe a 115° permettra donc de monter à 1°/min jusque 80° à 85°C, au delà il y aura un ralentissement de chauffe qui atteindra 0,5°/min à 100°C

Je ne vois pas très bien comment tu peux annoncer cette valeur sans connaitre les caractéristiques de l'échangeur...

Pour répondre à ce problème il ne suffit pas de connaitre la surface d'échange, il faut aussi déterminer le coefficient d'échange global, et celui ci ne dépend pas que des matériaux utilisés.
Il faut donner plus de précisions sur la géométrie de l'échangeur, s'agit il d'un serpentin soudé en fond de cuve ? D'une double paroi ? Quelle est la section ou l'épaisseur ?

[Boumako]

Désolé pour la réponse un peu trop rapide, j'aurai du attendre la validation de la photo.
Visiblement les raccords qui vont au serpentin ont une section assez faible, je ne pense pas que l'on puisse y passer 2400l/h.
Pourrais tu mesurer leur section interne et leur longueur ?
Connais tu la pression au refoulement de ta pompe (ou mieux as tu accès à sa courbe) ?

[phys4]

Pour la forme de l'échangeur c'est a peu près ce que je supposais.

Le problème risque d'être le débit, avec un volume de 4 l pour l'échangeur, ça suppose que le liquide change toutes les 6 sec dans l'échangeur, les raccords semblent un peu faibles.

Pour une montée à 80°C cela pourrait donc passer si vous avez le débit ???

Pour la conductivité calorifique totale j'ai pris 5,4 KW/°, pour passer 56 KW de puissance de chauffe donc 11° environ, c'est pessimiste pour l'épaisseur, mais il y a l'échange eau qui doit passer à grande vitesse.

Pour le gradient de l'eau de circulation il suffit de faire la règle de trois : 800l *1° par min /40 l par min = 20°
donc à condition de tenir le débit.

[phys4]

Il y a un autre paramètre à prendre en compte : l' échange paroi métallique - liquide doit être assuré :

- du coté échangeur, la circulation rapide assure une sorte brassage naturel

- du coté cuve par contre, il ne faut pas que le liquide soit trop visqueux, sinon la chaleur ne passera pas, l'on aurait un gradient au fond avec ébullition?
Je suppose que le mélange est suffisamment agité pendant le chauffage ?

[Boumako]

Il y a un autre paramètre à prendre en compte : l' échange paroi métallique - liquide doit être assuré :

- du coté échangeur, la circulation rapide assure une sorte brassage naturel

- du coté cuve par contre, il ne faut pas que le liquide soit trop visqueux, sinon la chaleur ne passera pas, l'on aurait un gradient au fond avec ébullition?
Je suppose que le mélange est suffisamment agité pendant le chauffage ?

Ce sont même ces coefficients qui sont primordiaux dans le calcul d'un échangeur. Avant toute chose il faut les calculer, et ensuite annoncer un résultat.

[inviteba38df69]

Bonjour,

Je ne l'avais pas précisé, mais je vais remplacer les tuyaux d'alimentation d'origine de l'échangeur par de l'inox de 18 ou de 22 pour limiter au maximum les pertes de charge.

La pompe est une gründfos alpha 2 32/60. Vous trouverez les infos ici : http://net.grundfos.com/Appl/WebCAPS...re-5173525.pdf

Toutes les autres données sont dans mon message précédent.

Le moût est constamment brassé lors de la chauffe pour obtenir une température homogène.

Qu'en pensez vous... échangeur suffisant ou pas?

Je reste à votre disposition si vous avez besoin de plus de précision.

[Boumako]

Bonjour

Qu'en pensez vous... échangeur suffisant ou pas?

Je vais faire le calcul avec plus de précision prochainement, mais pour donner une 1ere approche ce type d'échangeur a généralement un coefficient d'échange qui tourne aux alentours de 600W/m²°C, donc ça ne suffira probablement pas.

[inviteba38df69]

Je me permet de relancer le sujet...

Y'a-t-il quelqu'un qui puisse calculer l'échangeur?

Merci

[Boumako]

Désolé, je t'avais oublié... Je vais regarder ça.

[inviteba38df69]

Desolé de te mettre la pression... je suis sur le point de terminer les travaux sur la cuve et j'ai besoin de savoir s'il faut ajouer un échangeur autour de la cuve ou pas avant de refermer le fond car isolé avec de la mousse polyurethane.
Merci

[Boumako]

Bonjour

Donc à partir de la géométrie de ton échangeur et de la courbe de la pompe on peut déterminer le point de fonctionnement, qui est aux alentours de 650 l/h.


Le calcul de l'échangeur donne une efficacité de 56% (c'est à dire que seule 56% de l’énergie qui pourrait potentiellement être cédée chauffe vraiment la cuve).
Au départ on cède (115-20)* (650/3600)*4180 * 56% = 40 150 W maximum

Cette puissance cédée dépend bien évidement de la température de la cuve car la température d'eau en sortie de l'échangeur est liée à celle ci. La relation est directement proportionnelle : P = 422 W * dt

Au départ la montée en température sera égale à 422 * (115-20) / 800*4180 = 0.012°C /s, ou 0.72°C /min
à 60°C par exemple la vitesse de montée en température n'est plus que de 422* (115-60) / (800*4180) = 0.42°C/min

Si tout ceci n'est pas très clair je peux te faire une petite feuille de calcul sur Excel.