Bonjour à tous,
J'ai souvent l'habitude de vous lire pour trouver des réponses à mes nombreuses interrogations, malheureusement cette fois-ci je n'ai pas trouvé de réponse à mon problème actuel.
Je me lance donc dans ma première discussion, et je remercie d'avance tous ceux qui prendront le temps de me lire et peut-être de m'aider.
J'essaye de développer un moteur à récupération de chaleur dont le vecteur principal est l'air comprimé.
Lors de l'une des transformations thermodynamiques de ce moteur, je suis tombé sur un problème de dimensionnement d'un échangeur thermique pour lequel je pense utiliser un simple tube à ailette.
Cette transformation est une phase de compression isothermique.
L’application est un peu particulière pour les calculs de dimensionnement de l'échangeur car le but ici n’est pas de refroidir de l’air chaud à une température inférieure, mais de maintenir à température ambiante de l’air que l’on va comprimer. A première vue on pourrait se dire que c'est la même chose, on refroidit de l'air. Pourtant je coince !!!
Pour être un peu plus précis sur le fonctionnement de cette partie du moteur je me permet de vous décrire les différents éléments prévus.
Le système est composé de deux cylindres de taille différente (type vérin pneumatique) et d'un échangeur de chaleur (tube à ailettes) placé entre les deux cylindres.
L'état initial de la transformation est :
- cylindre de grande taille rempli d'air à sa pression et température initiale (piston du vérin complètement tiré => volume maximal du cylindre).
- cylindre de petite taille vide (piston du vérin complètement poussé => volume nul du cylindre)
- échangeur thermique rempli avec de l'air identique à celui contenu dans le grand cylindre
La transformation évolue de la manière suivante :
- le piston du grand cylindre est poussé. L'air qu'il contient est transférer dans le petit cylindre en passant par l'échangeur thermique.
L'état final de la transformation est :
- cylindre de grande taille vide (piston du vérin complètement poussé => volume nul du cylindre)
- cylindre de petite taille rempli d'air à sa pression et température finale (piston du vérin complètement tiré => volume maximal du cylindre).
- échangeur thermique rempli avec de l'air identique à celui contenu dans le petit cylindre
Les calculs thermodynamiques que j'ai effectué me donnent les données d’entrées suivantes pour le dimensionnement de mon échangeur thermique :
Fluide « chaud » :
- Température d’entrée de l’air : 20°C
- Pression d’entrée de l’air : 2.7 bar
- Volume initial de l’air (grand cylindre + échangeur thermique) : 1.44 l
- Température de sortie de l’air : 20°C
- Pression de sortie de l’air : 4.6 bar
- Volume final de l’air (petit cylindre + l’échangeur thermique) : 0.85 l
- Débit massique de l’air : 331 kg/h
- Puissance thermique à dissiper : 4.1 kW
- Volume désiré du tube (utilisé pour calculer les données précédentes) : 0.5 l (plus le volume est petit, plus le moteur aura un bon rendement)
Fluide « froid » :
- Air ambiant à 20°C
Comme je ne suis pas un spécialiste en échange thermique et que ce cas est « atypique » pour moi, je n'arrive pas à dimensionner mon échangeur thermique.
En effet la loi de Newton concernant la puissance thermique dissipée par convection donne P = h.S.(Tchaude-Tfroide). Or comme les températures des deux fluides sont identiques, cette formule ne peut pas s’appliquer.
Je pensais utiliser la formule de conservation des flux échangés Q = m.Cp.(Tchaude-Tfroide) pour déterminer une température chaude. Mais je doute du bien fondé de cette méthode car réellement l'air compressé n'atteindra jamais cette température chaude.
Mon but est de déterminer la surface d'échange des ailettes nécessaire pour dissiper par convection naturelle les 4kW de chaleur générés lors de la compression de l'air.
Auriez-vous une méthodologie à me conseiller, ou mieux, des formules que je pourrais appliquer à mon cas d'étude ?
Merci d'avance à tous pour votre aide.
PS: Je sais qu'un échangeur thermique eau/air serait plus efficace, mais dans le cahier des charges que je me suis fixé pour ce moteur je m'interdit justement d'utiliser de l'eau pour le refroidissement.
-----
