Dimensionner un échangeur air eau

[Titi.J.]

Bonjour à tous.

J'essaie de calculer le dimensionnement d'un échangeur air eau pour rafraîchir l'air à partir d'eau de source.
J'explique plus en détail : dans ma maison, la T° monte facilement à 27° en ayant les volets fermés, en aérant la nuit, je redescend à 24 mais ce n'est pas suffisant, on vit dans le noir, on cuisine sur le BBQ dehors, ce n'est pas agréable.
J'ai donc pensé évacuer les calories avec l'eau de la petite source qui coule dans mon jardin et pour ça il faudrait que je réalise un échangeur air/eau.
La source coule à 14° et a un débit de 590 L/h (à la date d'hier) Je voulais faire un échangeur multitubulaire en cuivre et malgré mes recherches sur le web, je ne sais pas comment calculer les surfaces d'échange.
Quelqu'un pourrait-il m'expliquer ?

Ti.
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[manukatche]

Bonjour,

Il manque des données comme le volume de la pièce à rafraîchir et le débit du pulseur d'air.

Et le débit de la source c'est une pompe ou un écoulement naturel ?

Quelle est la température souhaitée?

Sinon , pour pas te prendre la tête prends un radiateur de moteur de voiture ( ou de camion ) tu le branches à l'eau de ta source ( pompe indispensable ) , tu places un gros ventilateur derrière et tu aurais quelque chose de correct ( ça dépend de volume de la pièce à rafraîchir ).

[Titi.J.]

Merci d'avoir pris le temps de répondre.

Je voudrais rafraîchir 100 m3/h, j'ai fais quelques calculs, avec une gaine de 200 mm, j'ai une vitesse de 1m/s, je ne veux pas trop le dépasser à cause du bruit.
Là ou je coince c'est sur l'échange thermique entre les différents éléments. eau/cuivre et cuivre/air. Il y a certainement un coefficient d'échange.
L'eau est en écoulement naturel, elle sort dans mon sous-sol et est canalisée vers le jardin en contrebas.

Ti.

[manukatche]

Là ou ça va coincer c'est sur l’échange cuivre/air. J'ai la flemme de chercher la formule mathématique qui va bien mais en gros tu as un film d'air qui s'écoule tout autour du cuivre et qui crée une résistance.

Et pour pas arranger la chose , tes débits d'air et d'eau sont faibles donc même si ton eau est fraîche je doute que tu aies un résultat sans augmenter tes débits.

Attends quand même l'avis d'autres personnes

[A voir en vidéo sur Futura]

[manukatche]

J'y pense , aurais tu la possibilité d'extraire l'air probablement frais de ton sous sol vers la maison ? ( il faut que ton sous sol puisse refroidir l'air extérieur sinon ça sera sans effet ^^ )

et dans ce cas tu fais passer ta gaine dans un bac de rétention par lequel passe ton eau de source ( on élimine ainsi une bonne partie de la résistance grace à l'aspiration ).

Tu suis ? ^^

[Titi.J.]

Moi, je pensais à un échangeur multitubulaire à contre courant. Il me reste pas mal de tube en Cu
Pour les calculs, j'avais considéré : D entrée sortie eau 11° (14 à 25) D entrée sortie air 13° (27 à 14) --> dans le cas d'un échangeur à 100% de rendement
Ce qui me fait 27160 Kj pour l'eau et le besoin est de 1547 Kj pour l'air En théorie, je suis large, ça peut fonctionner.
Là ou je coince, c'est les surfaces d'échange, je ne sais pas les calculer.
Pour ce qui est de refroidir par l'air du SS, ce n'est pas possible, la maison est semi enterrée, il y fait 25°
Et quant à faire passer une gaine dans un bac de rétention, c'est un peu ce que je veux faire, c'est un échangeur. D’où ma question, comment dimensionner les surfaces d'échange.
Ti

[manukatche]

1/ Pour les calculs, j'avais considéré : D entrée sortie eau 11° (14 à 25) D entrée sortie air 13° (27 à 14) --> dans le cas d'un échangeur à 100% de rendement

2/ Ce qui me fait 27160 Kj pour l'eau et le besoin est de 1547 Kj pour l'air En théorie, je suis large, ça peut fonctionner.

3/ D’où ma question, comment dimensionner les surfaces d'échange.

Ti

1/ 100% de rendement ? Douce utopie ... ^^

2/ Euh , tu as pris en compte dans tes calculs la pellicule d'air qui freine le transfert thermique ?

3/ Je ne sais pas ^^ surtout que je me demande ou se trouvera l'échangeur. Si tu n'utilises pas de pompe alors ton échangeur se trouvera au sous sol plus bas que l'arrivée d'eau. Le débit semble aléatoire (et a un débit de 590 L/h (à la date d'hier)) et il est important d'avoir un débit fixe pour savoir comment dimensionner ton échangeur car plus il y aura de tubes , plus il y aura de perte de charge et cela diminuera considérablement ton débit.

Tu es sur que tu ne veux pas faire un système ou tu plonges la gaine d'intro d'air dans un bac de rétention ? C'est efficace tu sais ? ^^

[Titi.J.]

Oui, 100% est une utopie, j'en suis conscient.
Le transfert thermique, c'est ce que je cherche, tu n'aurais pas une formule ou une approche ?
L'échangeur serait au SS, il n'y a pas besoin de pompe de circulation, l'eau coule naturellement. Même en 2003 elle coulait à ce débit.
Je pensait à un échangeur multitubulaire, des tubes de 1m diam 14 en Cu où passerait l'air et le tout noyé dans le débit d'eau. Si je multiplie le nombre de tubes, j'augmente la section de passage donc je diminue la perte de charge.
Ce que tu me proposes, c'est un peu e que je veux faire, mais avec une plus petite surface d'échange.
Ti.

[manukatche]

Ok je vois. Mais avec un échangeur multitubulaires ton flux d'air ne sera plus laminaire mais turbulent : ça va être bruyant et tu veux pas que le système fasse trop de bruit... Tu auras de la perte de charge de toute manière , en tout cas plus qu'avec une gaine lisse du diamètre de l'extracteur.
C'est pour cela que je propose de plonger une gaine rigide et lisse ( et conductrice) dans le bac.
Je ne trouve pas la formule que tu veux mais si personne ne l'a posté ce soir je regarderai dans mon classeur de cours sur la thermodynamique

[Sethy]

A mon avis, c'est utopique, mais si je devais faire cela, j'opterais pour un dispositif passif, c'est à dire sans circulation d'air forcée.

La solution est d'installer un serpentin à une dizaine de centimètres du plafond car l'air chaud y monte naturellement. Ensuite l'air rafraîchi redescendra vers le bas tout aussi naturellement.

Je couvrirais environ les moitié de la superficie du plafond avec un réseau de tube d'un diamètre extérieur de 7-8 mm et distant chacun de 2-3 cm. Je mettrais 3-4 épaisseur de serpentins, distant également de 2-3 cm mais le haut des serpentins à au moins 10 cm du plafond pour bien permettre la circulation d'air

J'ai travaillé un temps dans un bâtiment refroidi à l'aide de ce genre de système, sauf qu'il ne s'agissait pas d'eau mais de saumure glacée (température < 0°C). Les serpentins étaient évidemment moins nombreux et dissimulés dans les lampes. Il y avait également un système pour récupérer l'eau de condensation car à ces températures, le point de rosée était évidemment largement dépassé.

Mais le tout donnait un sensation de fraicheur très saine. Il y avait une énorme cuve remplie de saumure glacée sur le toit. L'installation faisait la largeur du bâtiment sur une longueur de 7-8m et une hauteur d'un étage environ. J'imagine que le débit de saumure glacée devait être très important.

[RomVi]

Bonjour

Un échangeur tubulaire pour un échange air/eau est complétement absurde, il faut utiliser un radiateur à ailettes, comme ce que l'on trouve pour refroidir thermique, avec une ventilation forcée.
La température de pincement de ce type d'échangeur est de 5 à 10°C, donc tu pourra refroidir de l'air à environ 20°C minimum. Ce ne sera pas très performant, mais en se plaçant juste en face on sentira un peu d'air froid.

[Titi.J.]

Bonjour à tous.
Bon, j'en suis toujours au point de départ, je cherche toujours à calculer la surface d'échange optimale sur des tubes de cuivre diam 12 intérieur (longueur mini)
Le nombre de tubes serait d'environ 280-300 pour approcher une vitesse d'air de 1 m/s
J'avoue que les Nusselt, Prandtl, Reynolds ne me parlent pas du tout...... Je suis à la ramasse totale.
J'ajoute que c'est plus une pré-étude de faisabilité et aussi pour ma culture perso, je suis curieux de nature. Et je risque de renoncer devant le coût, le cuivre est hors de prix.
Ti.

[RomVi]

Bonjour

280 tubes sur quelle longueur ?

[Titi.J.]

Bah j'en sais rien justement, j'ai 10,5 m² de surface d'échange pour 1 m d'échangeur côté air et 12,3 m² côté eau.
La longueur c'est ce que je cherche à obtenir.
Ti.

[Sethy]

Si la surface de contact est plus importante côté eau, ça veut dire que tu comptes faire passer l'air dans les tubulures qui seront elles mêmes placées dans le bac d'eau froide ?

Je ne peux pas t'expliquer pourquoi, mais personnellement, j'opterais pour l'inverse. Faire passer l'eau froide dans les tubulures (avec des ailettes comme le conseille RomVi) et l'air autour.

[Titi.J.]

Oui, Sethy, bien vu l'air à l'intérieur des tubes. Après réflexion, ça serait peut-être mieux, je gagnerais 2 m² sans rien faire. Le problème c'est la réalisation, c'est plus compliqué à faire des piquage de 200 mm que des piquages de 22 mm
Autre pb, les ailettes, je fais comment ?
Ti.

[RomVi]

L'échangeur que tu veux faire serait comme ça ?
https://energie.wallonie.be/servlet/...i.gif?ID=31765

[Titi.J.]

Oui, sur le principe c'est ça sauf :
1/ il serait à contre courant
2/ il serait multitubulaire
Ti.

[Titi.J.]

Bonjour.
J'ai un peu de nouveau, en fouillant sur le web, j'ai trouvé chez un fabricant d'échangeurs des coeff. d'échange thermique.
Ils seraient de 5000 W/m²K pour l'eau et 100 W/m²K pour l'air. Par contre, je ne sais pas à quel type de matériau ils s'appliquent, je ne sais pas si le coeff. d'échange cuivre/air est différent de celui du fer/air (par exemple)
Donc, si c'est les bons coeff, j'ai 5000 pour l'échange eau/cuivre, un lambda de 380 pour le Cu et 100 pour l'échange cuivre/air.
Maintenant, comment je calcule l'échange, la surface et le reste ?
Ti.

[RomVi]

Une valeur de 100W/m²K est réaliste avec une grande vitesse d'air, ce qui est incompatible avec une faible perte de charge.
Pour arriver à concilier les 2 il faut une faible épaisseur de couche d'air, ce qui explique que les échangeurs à ailettes soient préférés.

Coté eau pour atteindre 5000W/m²K il faut une grande vitesse de circulation, il faudra plutôt compter sur environ 500W/m²K si tu veux faire passer le liquide autour des tubes à vitesse réduite ; ce n'est pas très grave étant donné que le facteur limitant se trouve surtout coté air. L'échange superficiel ne dépend pas du matériau, mais il peut dépendre de l'état de surface. L'interface (ici le cuivre) a généralement très peu d'influence sur l'échange global.
Pour concevoir un échangeur on part d'un cahier des charges, comme tu l'as fait, puis on cherche la géométrie optimale, pour réduire la matière à utiliser et les pertes de charges.

J'ai fais le calcul pour des tubes de 20mm de diamètre interne. En faisant varier le débit d'air (en m3/h, échelle du bas) on peut lire la variation du coefficient d'échange U coté air et la perte de charge linéaire (diminution de la pression pour un tube de 1m de longueur). La même échelle est utilisée pour les 2 courbes.

Selon le ventilateur employé tu peux viser une perte de charge plus haute, mais il faut savoir que ça se paye en bruit, et en énergie électrique.

[invited23fecb1]

Bonjour,
J'ai pris le temps de lire les commentaires sur ce sujet.
La formule que tu cherches pour calculer la surface d'échange est la suivante

Q=H*S*∆TLM
Q : puissance thermique échangée (W)
H: coeff d'échange thermique global (W/m2 K)
S : surface d'échange (m2)
∆TLM : je te l'expliquerai plus en détail si la méthode calcul t'interesses
Ne sois pas dégoûté en voyant la formule car une fois changée en chiffre elle devient limpide

[Titi.J.]

Romvi,
Merci pour ce petit graphique.
Un truc que tu n'as pas indiqué, c'est le nombre de tubes et pour l'instant, les pertes de charges, je n'y ai encore pas pensé.
C'est vrai qu'avec des tubes de petites section, j'augmente la surface d'échange mais la perte de charge augmente aussi.

Calorim,
Merci de prendre part à la discussion, je suis effectivement intéressé par ta formule :
Q=H*S*∆TLM
Q : puissance thermique échangée (W)
H: coeff d'échange thermique global (W/m2 K)
S : surface d'échange (m2)
∆TLM :

Outre le DTLM, le H correspond à quoi ?
100 W comme je l'ai trouvé chez un fabricant, 50 W comme me le propose Romvi ou est-ce un autre coeff ?
Ti.

[Titi.J.]

Calorim,
J'en reviens au point de départ, comment je fais pour calculer le Dt entre 2 courbes dont je ne connais pas les fonctions ?
Au mieux, je connais la T° de l'air à refroidir et celle de l'eau de refroidissement mais les 2 T° de sortie, c'est des inconnues.
Ti.

[Sethy]

Tu prends ce que je vais dire comme tu veux, mais c'est typiquement le genre de question pour lesquelles des ingénieurs étudient 4 années.

Et encore, à la sortie des études, il faut quelques années pour acquérir en tant qu'ingénieur junior les bonnes pratiques et les bons réflexes.

[RomVi]

Oui c'est tout a fait exact, je vois très souvent des ingénieurs sortir d'école "génie des procédés" incapables de répondre à ce type de question, c'est un vrai travail d'optimisation et il y a une multitudes de petits pièges dans lesquels on peut tomber si on ne possède pas un certain recul dans le domaine.
Toutefois tu peux déjà essayer par toi même et proposer quelque chose, je te dirais si ça tient la route ou pas.
Il faut partir d'un coefficient, en fonction de la perte de charge visée. Ensuite tu fixes des conditions réalistes, par exemple 25°C en entrée et 15°C en sortie.
Tu détermines la puissance à échanger et tu utilises la formule donnée par calorim, sachant que le dtlm est la moyenne des delta de températures entre les courants en entrée et sortie.
http://tonepi.com/systemes-energetiq...-dtlm.html?i=1

En toute rigueur on calcule la moyenne log, mais en pratique on peut se contenter d'une simple moyenne arithmétique.

[invited23fecb1]

Bonsoir
en ce qui concerne le H il s'agit d'un coeff pour évaluer la qualité de ton échange, il se calcule facilement une fois qu'on a toutes les données.
Pour le ∆TLM , RomVi a raison pourquoi se prendre la tete avec une formule interminable autant simplifier le calcul en calculant directe la différence entre la température chaude(air) et la température froide (eau)

en gros tu determine la chaleur que tu veux evacuer, une fois celle ci déterminée
Tu calcules ton H global
Puis vient le calcul de ta surface d’échange que tu vas repartir sur le nombre de tubes que t'as et leurs diamètres
On va eviter de parler des pertes de charges pour éviter que tu baisses les bras lol
Il faut pas lâcher prise !