Cacul de la conso d'énergie dans un circuit thermique d'une papeterie

[Salieri]

Bonjour,

Dans une petite papeterie alimentée par un réseau de chaleur à fluide thermique servant au fonctionnement de la chaine de production, nous avons une partie de la chaine que nous aimerons supprimé car on l'a juge trop dépensière en énergie (on pense préconiser un autre type d'alimentation en fluide thermique pour ce secteur de la prod).

Avant de mener une quelconque manœuvre, j'ai pensé à évaluer quelles seraient les pertes en énergie que l'on pourrait avoir dans cette section du réseau.

J'ai effectué quelques recherches sur le net et j'ai vu que théoriquement pour calculer les déperditions thermiques dans un circuit isolé l'on distingue 3 approches :

Méthode 1 : FLUX=Qv∗ρ∗Cp∗(Tin−Tout)

Méthode 2 : FLUX= U.Surface d′échange.DTLM (considerer le flux de chaleur comme celui d'un échangeur)

Méthode 3 :FLUX= (Tinf1−Tinf2)/Rtotal

Avec des cheminements plus ou moins détaillés.

Ne sachant pas vraiment laquelle des mes méthodes utilisées, et n'ayant pas vraiment connaissance du niveau de débit qui circule dans la conduite (je sais juste qu'au début du circuit aller l'on a une pompe), j'ai du mal à me decider sur quel calcul effectuer pour estimer au mieux l'ensemble des pertes de chaleur ainsi que la consommation énergétique dans cette branche de circuit du réseau.

Me préconisez-vous une approche ou une démarche particulière?

Bien le merci à vous et bon début de semaine.
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[f6bes]

Bjr à toi,
Je ne suis pas de partie, mais on peut supposer que les 3 méthodes devraient aboutir au meme résultat !
( sinon ce serait incohérent)
C'est pas moi qui ferait les calculs, MAIS applique les 3 méthodes et confrontent les résultats.
Ca me semble la démarche la plus saine (mais pas la moins longue) pour se faire une idée.
Bonne soirée

[Salieri]

Bonjour f6bes,

Tout d'abord je tiens à te remercier pour ton intervention.

J'ai par la suite effectué le calcul avec les 3 méthodes mais j'obtiens à chaque fois des résultats d'ordre complétement différent. Vous aurez ci-après un aperçu des démarches mené au cas où quelques-uns y verraient des incohérences :

Méthode 1 : FLUX=Qv∗ρ∗Cp∗(Tin−Tout)
T_in= 236°C, T_out= 227°C, débit volumique Qv= 100m^3/h, chaleur massique du fluide Cp= 2.8 KJ. kg^-1. K^-1 et masse volumique ρ= 860 kg·m^-3
FLUX=Qv*ρ*Cp*(Tin-Tout)/3600 = 100*860*2.8*(236-227)/3600 = 602 kW
Ce que je trouve pas mal énorme quand même. J’ai un gros doute sur le débit choisi, vu que ne sachant pas comment le déterminer j’en ai pris un qui semblait correspondre sur la fiche technique de la pompe, mais 100 m^3/h je le trouve énorme quand même, d’où l’intérêt de comparer avec d’autres méthodes.

Méthode 2 : FLUX= U.Surface d′échange.DTLM
-U l'inverse de la résistance thermique surfacique (calculé en faisant la somme des résistances entre le fluide et l'air à savoir 1/hinterne + R Tube en acier + R Anneau cylindrique isolant + 1/hExterne + R Paroi externe) :
Les h ont été calculés avec les formules de corrélation de convection forcée dans un tube (hi=lambda*Nu/Dh, avec Nu=0.023*Pr^0.8*Re^1/3, pour Pr=Cp*rho*nu/lamdba et Re=di*v/nu, qui est la formule utilisée pour un régime turbulent) et de corrélation de convection naturelle à l'extérieur (he=1.42*((Tp-Tair)/L)^1/4).
La corrélation de convection naturelle à l'extérieur a été surévalué de + 10 W/(m²K) prenant en compte le rayonnement.
Les autres résistances ont été calculés chacune grâce à la formule e/lambda (lambda laine de verre=0.042 W. m-1. K-1, lambda acier noir=52.33 W. m-1. K-1, lambda alliage d’aluminium=160 W. m-1. K-1).
Avec une vitesse v=5,96m/s, une viscosité dynamique nu=5.6*10^-6 pour le fluide thermique et un diamètre intérieur di=0.0675m pour la paroi, j'obtiens mon nombre de Reynolds Re= 82 021,72 .
Avec un Cp=2.8KJ/kg/k, un rho = 860g/m^3 et une conductivité thermique lambda de 0.1016 W. m-1. K-1 pour mon fluide, j'obtiens un nombre de Prandtl Pr=132.72.
Ainsi donc grâce l'opération précédente j'obtiens un Nu= 1 001,20 et donc un hi=1321,06 W/(m²K). Par calcul j'obtiens aussi un he=0.66+10 W/(m²K).

Au final j'obtiens une résistance totale Rt=1.44 m2.K.W-1 et donc un U=1/Rt=0.69 W/m²K

La surface d'échange prise en compte dans la formule du flux est la surface interne du tube où circule l'huile chaude. Surface d'échange=Pi*Di*L=Pi*0.077*149 .7=36.21m.

-DTLM=différence de températures logarithmiques moyennes = (T_in-T_air)-(T_out-T_air)/[ln((T_in-T_air)/(T_out-T_air)]

T_in, température d'entrée de l'huile (soit T_in=236°C). T_out température de sortie de l'huile au bout du tube. Sauf que cette dernière valeur je ne suis pas censé la connaitre. En prenant comme T_out=227°C et T_air= 28°C (Valeurs relevées grâce des capteurs que j'avais en ma possession). J'ai pu obtenir un un DTLM=203.46 °C.

Ayant toutes ces grandeurs, j'obtiens donc un FLUX=0.69*36.21*203.46=5104.15 W=5.140 kW ce qui très loin des 602 KW trouvé avec la première méthode.

Méthode 3 : FLUX= (Tinf1−Tinf2)/Rtotal
J'ai donc Flux = (Tinf1-Tinf2)/Rtotal, où Rt=Ri+R1+R2+Ro. Ri = 1/A1*h1, R1=ln(r2/r1)/2*pi*lambda1*L, R2= ln(r3/r2)/2*pi*lambda*L et Ro= 1/A2*h2, Tinf1 = 252°C et Tinf=17.
J'ai considéré les mêmes coefficients de convection que ceux de la méthode 2: h1=1321,06 W/(m²K) et h2= 10.66 W/(m²K).

Au final j'obtiens un flux assez différent des précédents, FLUX = 13,42 KW. Avec celui-ci j'ai essayé de calculer la différence de température entre le fluide thermique et la surface de l'isolant ΔT isolant= Flux*R2 = 13425,1187*0,01416573 = 190,17°C. Soit une température à la surface Ts= Tinf- ΔT isolant= 45.82 °C, qui serais assez proches de ce qu'on obtient réellement comme température sachant qu'à force les coefficients de conductivité de l'isolant et de la paroi ne sont plus aussi élevé.

Cela semble néanmoins correct mais je tombe encore sur un ordre de grandeur totalement différent des précédents.

Désolé si le texte est trop volumineux, j'ai mis pas mal de temps dessus depuis hier, et j'ai essayé d'expliquer au mieux à chaque fois ma démarche au cas où certains pourraient y déceler des erreurs, des corrections ou même de nouvelles approches.

Pensez-vous que ces raisonnements tienne la route? Me préconisez-vous l'un des ces 3 résultats ou plutôt des rectifications à apporter?

Merci à vous et bon début de semaine.

[RomVi]

Bonjour

Il serait étonnant que ces approches donnent le même résultat, car je suppose que ce fluide chaud ne passe pas dans cette conduite juste pour la beauté de la chose, et que des installation viennent prélever de la chaleur le long du trajet.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Salieri]

Bien le bonjour RomVi,

J'avouerai ne pas bien comprendre en quoi l'intervention d'une installation quelconque pourrait induire différence absolue de résultat sur l'ensemble des 3 méthodes, vu qu'au fond elles sont censés être 3 approches différentes supposées nous un rendu similaire pour un calcul précis.

En ce qui concerne les installations sur les près de 150m de longueur de la tuyauterie considéré dans les calculs, aucune installation ne lui prélève de la chaleur, on a donc bien l'impression que "ce fluide chaud passe dans cette conduite juste pour la beauté de la chose" et c'est bien là le problème; 150 m rien que pour la conduite allé ça fait beaucoup.

Cette distance 150 à été mesurée de la pompe à huile où prend naissance l'alimentation, à la première installation où cette branche du réseau intervient, donc ce n'est qu'après ces 150 m qu'on pourrait parler d'installation qui lui prélève de l'énergie. Déjà c'est sur ce trajet avec ce que l'on a comme pertes naturelles que j'aimerais quantifier les dépenses énergétiques.

J'espère avoir répondu à votre question. Je reste ouvert à toute autres propositions. (Je bute dessus depuis pas mal déjà)

J'ai pu constater aussi que j'ai dû perdre plus d'un avec le pavé où j'essayais d'expliquer tant bien que mal l'ensemble des démarches employées. Pour ceux qui n'ont surement pas du tout lire ou réussi mes explications, voici un résumé des résultats obtenus :

Méthode 1 : FLUX=Qv∗ρ∗Cp∗(Tin−Tout) =602 kW (avec un très fort doute sur le débit de 100 m^3/h utilisé)

Méthode 2 : FLUX= U.Surface d′échange.DTLM = 5.140 kW

Méthode 3 :FLUX= (Tinf1−Tinf2)/Rtotal =13,42 KW.

Soit une incohérence totale d'un résultat à l'autre. Auriez-vous une approche plus appropriée à me proposer?

Merci.

[RomVi]

Si aucune installation ne vient prélever de l’énergie alors effectivement on devrait retrouver la même chose. Il y a probablement une erreur dans les données d'entrée.
Il faut être particulièrement soigneux lorsqu'on mesure des températures à la surface d'une conduite, comment t'y prends tu ?

[Salieri]

Bonjour RomVi,
Pour les relevés de températures, la démarche est toute simple. J'ai quelques sondes thermocouples à ma disposition. Au tout départ de la conduite aller, juste au-dessus de la pompe j'en ai inséré l'une des sondes dans une sorte d'embouchure creuse où se trouverait précédemment un ancien capteur de température à aiguillète censé mesurer la température au départ du circuit (mais il était assez vieux et les aiguilles déréglaient déjà pas mal). Il se trouve que j'avais le même type d'embouchure vers la fin de la conduite, juste en amont d'une installation.

La distance considérée de la conduite est de 149.7 m de long, pour 236°C à 0 m et 227°C aux alentours des 149.7m. La longueur et les dimensions de la conduite et les différentes températures sont les seules données qui ont été relevé "à la main", pour le reste (chaleur massique du fluide, masse volumique, résistances thermiques et résistances thermiques surfaciques, coefficient de convection, etc... et autres), ils sont soit connu suivant les caractéristiques du fluide ou du matériau en question soit issu d'un calcul théorique.

Ce n'est peut être pas la plus sûr ou la plus correcte des méthodes, mais j'ai eu à faire différentes mesures du genre avec différentes sondes avant de faire ces choix de températures, et ce sont à chaque fois les même températures utilisées pour chacune des méthodes.

Est-ce que selon vous un choix mal maitrisé des températures pourrait induire ou expliquer un décalage de *10 d'une méthode à l'autre sachant que pour chaque calcul les mêmes températures ont été utilisées?

Merci.

[Salieri]

Personnellement je pense que la méthode 3 semble être celle qui donne le résultat le plus plausible ou le plus proche de la réalité, surtout qu'avec cette démarche j'ai un moyen de vérifications comme expliqué dans la démarche de calcul de méthode 3 en #3.

Mais je n'ai aucun véritable moyen de refuter les 2 autres, et je suppose qu'il existe d'autres démarches plus claires et plus explicites. Je reste ouvert à toutes autres propositions.

Je reste aussi à la disposition des plus téméraires qui iront jeter un coup sur le pavé où j'essayais d'expliquer ma démarche en espérant qu'ils y trouvent de quelconques erreurs ou mieux des réponses.

Bien cordialement.

[RomVi]

Cette embouchure c'est ce qu'on appelle un doigt de gant. En principe les mesures sont fiables, si ils sont placés correctement. Éventuellement tu peux entourer un chiffon tout autour et voir si la température gagne quelques degrés (ce qui signifierai que le doigt de gant ne plonge pas assez profond).

La 1ere méthode est en principe très précise, mais il est possible que le débit soit très différent de l’estimation. Il faudrait que tu te renseignes sur le type de pompe. Si il s'agit d'une centrifuge tu peux connaitre le débit avec une mesure de pression. Si c'est une pompe à palettes il suffit simplement de connaitre la vitesse de rotation.
Il est aussi possible de retrouver le débit par bilan thermique avec une installation qui serait placée plus loin sur ce circuit de chauffe (connaissant la puissance qu'elle consomme et le Dt sur le fluide on retrouve le débit), ou avec l'unité de chauffe.

[Salieri]

Bonjour RomVi,

Pour accentuer l'effet de contact de la sonde dans le doigt de gang, j'insérais au préalable une sorte de graisse silicone thermo-conductrice. Je suppose que l'entourer de chiffons aurait pour but le même effet.

Pour la pompe, il s'agit bien d'une centrifuge, j'ai réussi à retrouver la fiche technique de ce type de pompe, c'est une "CENTRIFUGAL PUMPS TO EN733 (DIN 24255)". En vérifiant les dimensions de la turbine, j'ai pu conclure qu'il s'agit bien du modèle "65-200" de cette pompe. J'ai mis en PJ la fiche technique NTT .pdf, elle fait 8 pages et les dimensions sont données à partir de la page 6.

La pression qui circule dans la conduite est d'environ de 5 bars.

Avec toutes ces informations pensez-vous qu'il serait possible d'avoir une estimation plutôt réaliste du débit dans la conduite? Si oui, pourriez-vous m'indiquer la démarche?

Merci

[RomVi]

Donc il y a 2 courbes pour la 65-200, en fonction de sa vitesse de rotation. Si la pression au refoulement est de 5 b elle doit passer au minimum une centaine de m3/h, ce qui correspond bien à l'estimation.

Toutefois une déperdition de 600kW pour une conduite de 150m calorifugée semble totalement invraisemblable.
Il est très probable que l'erreur vienne des mesures de température. Ce n'est pas parce qu'on ajoute de l'huile que la mesure est fiable ; j'ai déjà eu le cas sur des doigts de gants qui n’étaient pas assez long, et même en ajoutant de l'huile j'avais une 10aine de degrés de différence (pour une température de fluide de 90°C seulement).
Ici tu as 9°C de différence avec un fluide 200°C plus chaud que l'ambiant ce qui est très délicat à mesurer.

A ta place j’essayerai de refaire une mesure sans huile, mais en ajoutant un isolant improvisé dans le doigt de gant pour que seule l'extrémité du thermocouple touche le fond.
Si tu as une température plus haute qu'avec l'huile c'est qu'il y a un problème.

Si tu as ça sous la main je te conseillerai de faire une mesure sur la conduite avec une camera thermique. Au préalable il faudra mettre un coup de peinture si le métal est à nu, sinon ça ne fonctionnera pas bien. Enfin tu peux essayer de glisser la sonde sous le calorifuge avec une petite plaque en alu ou en laiton par dessus. Il faut quelques minutes pour que la température se stabilise, et ça ne marche pas toujours bien, mais ici encore le but est de vérifier si tu ne retrouve pas une température plus haute que la mesure précédente.