Formules de calcul echange thermique en l'air d'un caisson et un serpentin.

[RomVi]

une autre solution serait de le remplir d'eau, et de regarder combien de temps il faut pour atteindre l'ébullition.
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[margouillas]

Il y a 15 ans j'avais fait une mise en eau pour voir si ca chauffe et il me sortait de la vapeur d'eau ce qui m'avait surpris.
cdlt

[kawastinger52]

Bonsoir messieurs
Ha les la mécaniques des fluides et la thermodynamique....
Juste pour info, je calcul, conçois et installe des solutions de chauffage jusqu'à quelques milliers de Kw

Romvi c'est bien, mais tu t'es servi de la conductivité ...
Hors pour pour qu'un échangeur soit viable il faut un delta T d'un coté un pincement et un delta T de l'autre
bref en un mot il faut des flux

En eau eau avec des valeurs fixes c'est compliqué mais ça ce fait bien, mais en air vers eau ça devient un poil plus complexe.
Et sans même faire de calcul il est évident que ça ne sort rien ...

Déjà parce que le débit qu'il faudrait est bien trop important et l'eau n'aura pas le temps de prendre des calories
et de deux parce que les températures d'air ne sont pas suffisantes et le pompon c'est que ce n'est pas un vrai échangeur ...

Pour faire le calcul d'une puissance pour une élévation d'eau je t'ai donné la formule plus haut ... rien de plus simple.
mais le problème c'est que tu vas devoir mettre un débit et un delta T et là .... patatra ça n'a pas le temps de chauffer ....

Il faut que tu comprennes que dans un échangeur "facile" à eau tu ne peux pas faire de l'eau à 45° avec une entrée d'eau à 45° il y a une "perte"
le plus classique entrée 50 au primaire sortie 45° au secondaire par exemple... avec un delta TD /TR de chaque côté
Dans un échangeur air/ eau c'est bien pire .... (je ne vais pas rentrer dans les détails)

Quand je disais un pipi ....

Je tiens quand même à rectifier une chose plus haut j'ai dis :
une surpuissance terrible.
Les mots justes sont un coefficients de surchauffe terrible

Vase d'expansion durée de vie limitée
formation de "caramel" dans les canalisations de panneaux
perte de rendement
et durée de vie limitée des panneaux.

tel sera la conséquence du surdimensionnement de ton installation sans décharge ( Si tu habites vers Toulouse )

Régulateur, tu disais ? tiens cadeau:
https://www.resol.de/fr/startseite

Bonne soirée

[f6bes]

Il y a 15 ans j'avais fait une mise en eau pour voir si ca chauffe et il me sortait de la vapeur d'eau ce qui m'avait surpris.
cdlt

Remoi; Il est évident que s'il n'y a PAS de circulation d'eau ( eau stagnante ), l'eau ne peut que monter en température et atteindre
......l'ébullition. Par contre SI ça circule, l'eau est en permanence renouvelllée dans le conduit....et avant que ça passe au stade ébullition !!
Il m'est arrivé que le circulateur de mes panneaux solaires tombent en panne....là c'est sur... la température a grimpé en fléche !!
Donc obtenir de l'ébullition n'a guére de signification si c'est...STATIQUE.
A+

[RomVi]

Le but est de déterminer la puissance échangée.

[kawastinger52]

D'accord mais c'est incalculable ... trop de variables inconnues.
Par mesures c'est faisable par tâtonnement et avec un minimum de matos
Imagine quelle température à l'intérieur de la boucle ? à l'extérieur de la boucle ? en bas au plus proche de l'appareil, en haut au plus loin.
Ensuite quelle est la vitesse du flux de convection dans la hotte ( air chaud qui monte, ce refroidi et redescend )
Ca c'est pour l'air ...
Ensuite quel besoin de puissance donc quel débit et donc quel vitesse de circulation ? pour augmenter la température de retour de l'installation

Je ne voudrais pas mettre ma main à couper, mais à mon avis l'effet est plutôt inverse au but escompté.

La solution pour exploiter la chaleur serai de circuler très lentement en boucle pour ne pas effondrer
la température de l'air en surface, laisser le temps à l'eau de chauffer par conductivité,
et de stocker gentiment dans un tampon pour finir par décharger dans l'installation.
Bref des heures de boulots pour 2 minutes de Bonheur.

D'autre come f6bes l'on fait avant lui et te donne le résultat ... : peau de balle...

Quand au reste de l'installation si c'est bien dans les environs de Toulouse...
va y avoir des soucis... mais tu as raison ce n'est pas le sujet .

Bonne soirée

[margouillas]

Je voudrais revenir sur les calculs fait dans le fichier Excel par Romi.

Ne devrait t on pas réduire considérablement la vitesse de circulation dans cet échangeur Air Eau à quelques dizaines de litre par heure (au lieu des 1000L/heures) pour espérer avoir une température de sortie d'eau d'au moins 20 dégrée supérieure à celle d'entrée ?

Si je comprends bien ton fichier, Cet échangeur à une puissance de l'ordre de 900W (si on considéré des fumées à 450 dégrée).
cdlt

[kawastinger52]

Bonjour margouillas
Pour que tu es une puissance exploitable
il te faut pour faire simple une température de travail , un débit, un delta T (différence de température entre départ et retour)

plus tu as de débit plus ton DT est grand plus tu as de puissance

Ce qu'on essaye de te dire et que tu t'entêtes à ne pas vouloir entendre c'est que tu vas consommer plus de courant que tu ne vas produire d'énergie,
pour récupérer des dixièmes de degrés et encore on est pas sure sur ton retour de chauffage.

Bonne journée.

[RomVi]

Je voudrais revenir sur les calculs fait dans le fichier Excel par Romi.

Ne devrait t on pas réduire considérablement la vitesse de circulation dans cet échangeur Air Eau à quelques dizaines de litre par heure (au lieu des 1000L/heures) pour espérer avoir une température de sortie d'eau d'au moins 20 dégrée supérieure à celle d'entrée ?

Si je comprends bien ton fichier, Cet échangeur à une puissance de l'ordre de 900W (si on considéré des fumées à 450 dégrée).
cdlt

En réduisant le débit on augmente en effet l'augmentation de température, mais on ne va pas échanger plus de chaleur.
On peut par exemple faire une boucle sur le ballon d'accumulation, et récupérer entre 800 et 900W environ, ce qui n'est pas négligeable.

Attention, en fonction de l'humidité de ton bois une condensation peut se produire à la surface, ce qui va favoriser la corrosion du conduit.
Avec un bois sec à 20% il ne faut pas descendre à une température d'eau sous 50°C environ.

[margouillas]

Merci pour vos retours.

Du coup j'ai un peu revisité la partie production d'eau chaude via l'échangeur de la cheminée. Je suis d'accord que 800/900W c'est très bien et l'idée de boucle d'accumulation me plait beaucoup.
Reste à voir si j'arriverais à trouver le moyen de descendre à des vitesses aussi faible (de l'ordre de 20/30 l/h).

L'échangeur ira directement dans les ballons (plus de liaison avec les radiateurs) et l'eau qui sera envoyé dans les radiateurs sera pris dans le ballon de stockage chauffage et donc issue des énergies solaires et bois.

Romvi quand tu dis qu'il ne faut pas descendre à une température d'eau sous 50 deg, est ce applicable pour la température d'entrée et de sortie d'eau ?

Je me demandais aussi tu as considéré dans ton tableur un U de 2.1W/m²°C. D'où viens cette valeur ?

Kawastinger52,

Merci pour tes nombreux retours, J'ai un peu de mal à comprendre tous ce que tu dis mais j'ai bien noté qu'il faut que je regarde comment délester mon installation solaire en été. Mais ca ne m'inquiette pas trop, car avec toutes les personnes qui ont des installations solaire en service depuis plus de 15 ans, j'imagine qu'ils doivent avoir une solution qui marche.



cdlt

[margouillas]

Je crois que mon conduit de fumée est en Inox 316L. L'inox n'est il pas résistant à la corrosion ?

Cordialement

[RomVi]

Romvi quand tu dis qu'il ne faut pas descendre à une température d'eau sous 50 deg, est ce applicable pour la température d'entrée et de sortie d'eau ?

Je me demandais aussi tu as considéré dans ton tableur un U de 2.1W/m²°C. D'où viens cette valeur ?

Les 2. Le 316 est plus résistant à la corrosion, mais les condensats des fumées sont extrêmement agressifs.
La valeur de 2.1 W/m²°C est déterminée par la nature des fumées, sa vitesse et le diamètre du conduit.
La nature du métal du conduit, du tube d'échangeur et de la vitesse de l'eau jouent également, mais l'influence est beaucoup plus faible, aussi on peut simplifier l'approche en ne considérant que l'échange fumées/tube de conduit.

Il n'est pas utile de travailler avec un débit faible. Si on fait une boucle en circuit fermé celle ci va chauffer progressivement. Il faudra si possible calorifuger les conduites avec des tubes de mousse.

[kawastinger52]

Bonjour margouillas
Pour te répondre oui il peut l'être, le 316 TI y est moins.
Mais attention mettre un échangeur dans le tube = danger tout comme le serrer contre = danger, le plus gros danger c'est la condensation au niveau des fumées ( bistre )


Il est vrai que je ne t'ai pas démontré par le calcul, car pour moi qui connais un chouille la mécanique des fluides, ton échangeur ne développe rien.
La nuit dernière j'avais penser aussi à ton échangeur tel qu'il est posé aujourd'hui et du risque de condensation mais qui dépend surtout du taux d'humidité relatif dans l'air
En gros tu peux fabriquer un échangeur à condensation comme ta chaudière gaz.
Le changement d'état récupère quelques calories certes, mais si il pleut dans ta hotte de cheminée ....

Ensuite oui il ce monte bien des installations solaire (mon entreprise est familiale et existe depuis 1919) donc tu pense bien que depuis le temps on a fait quelques installations...

Mais ça se calcul, car dans ton solaire, tu as du glycol, quand tu as fini ta chauffe la température monte et comme la pression de travail est de 3 bars ,à 150° le glycol va ce vaporiser
et redescendre dans le vase d'expansion.
Si cela ce produit trop souvent, il ce forme un genre de caramel qui fini par boucher tes tuyaux et adieux tes panneaux.
C'est là qu'interviens mon coefficient de surchauffe... 19 m2 c'est plutôt pour le nord de la France ou il faut du monde derrière ....
Dans le SUD c'est plutôt 13...à 17 il faut penser à la décharge, minimum de nuit ( tu décharges en remontant sur tes panneaux )
Ca c'est pour les panneaux

Ensuite
Quand on calcul une installation de chauffage, nous allons d'abor déterminer un besoins
dans ton cas une maison avec X kw/h de déperdition et un ballon CESI (solaire) de 300 litres je suppose
Tu as des radiateurs ils sont en delta T de 50 ou peut être 40 tu veux 20 ° dans ta maison 75+65/2 -20 =DT50 OU 65+55/2 -20=DT40
dans mon calcul tu vois les températures de travail départ et retour de l'installation pour la puissance nominale de tes radiateurs
Entre deux radiateurs de même type et dimension entre Delat T de 50 et un en delta T de 30 la puissance est pratiquement divisée par deux ..

Maintenant tu vois aussi un différentiel de température entre le départ et le retour de 10K mais en réalité sur ce différentiel tu dois travailler avec des gros tuyaux
sinon ça siffle ... donc on passe plutôt sur un différentiel de 15K (ce qui est celui d'une chaudière)
Admettons que tu es 8 Kw de radiateurs installés tu me dis à 45° ça me chauffe ... donc 45° départ , DT 15 donc retour 30°
soit 461,42 litres/heures

Maintenant tu as ton ballon d'eau chaude qui à un échangeur serpentin sur un cesi de 3/400 litres tu as un échangeur de 25 Kw/h avec un débit de 2 m3/h à une température de 90°C et un différentiel de 10K
Mais tu ne va pas travailler à 90°C tu vas travailler à 80 ° et au passage ta chaudière ne fait que 20 Kw/h et travail avec un différentiel de 15 K donc pour reprendre sur romvi 1182,53 litres/h

Donc je ne connais pas ton installation mais dans ce cas avec ton branchement le minium de circulation est 461,42 litres/heures en mode radiateur et 1182,53 litres/h
en mode production ECS.

[kawastinger52]

Donc je ne connais pas ton installation mais dans ce cas avec ton branchement le minium de circulation est 461,42 litres/heures en mode radiateur et 1182,53 litres/h
en mode production ECS.

loupé la modif hiers donc précision rappel:

dans ce cas (8Kw) avec ton branchement le minium de circulation est 461,42 litres/heures à 45°c en mode radiateur et 1182,53 litres/h à 80°c
en mode production ECS quand tu n'as pas de solaire.

je t'expliquerai ou et comment envoyer ton échangeur, mais il faudra mettre ta chaudière gaz comme appoint de toute façon...

[margouillas]

Merci pour vos retours,

Pour ce qui est de l'ECS, nos besoin sont de 140L jour @50 - 55 deg C. On est partie sur un ballon ECS à 200L et 2.5 m2 de panneaux solaire plein sud (calculs calsol).

Pour les panneaux/ taille du ballon de stockage, on a pas encore fait les calculs exacts mais on sera probablement à moins de 19m2.
La société qui commercialise les produits et l'association spécialisés dans les énergies renouvelables avec qui je travaille m'aideront à valider le dimensionnement globale.

Pour la décharge de ce que j'ai compris il y a effectivement 2 options : couvrir les panneaux l'été ou alors utiliser un mode dégradé : monter les panneaux en température pour dégrader le rendement, refroidissement nocture ..etc

Le gaz c'est ce que je veux enlever et c'est à la base de mon schéma de rentabilité. Si je dois garder le gaz pour le chauffage, alors je ne mettrais pas de chauffage solaire mais uniquement de l'ECS solaire car le retour sur investissement ne sera pas au rendez vous pour ce qui est du chauffage, même en auto-construction.

Je pense qu'il faut plutôt que je travaille sur une solution de backup autour de ma cheminé si l'échangeur venait effectivement à ne pas sortir plus de 800-900Wh.

Au passage 800-900Wh, en une nuit, ca doit pouvoir chauffer mes 200L d'eau `@ 60 degré.

Cdlt

[RomVi]

Pour chauffer 1l d'eau de 1°C il faut environ 1Wh, donc 200 *(60-15)= 9000 Wh, il faut que la cheminée tourne pendant environ 10 heures (ordre de grandeur, car il y a forcément un peu de perte).

[margouillas]

Oui tout à fait. et je me dis que la cheminée en une nuit doit tourner 12 heures, donc ca devrait le faire même à 750W (750W*12=9000W). Je dis 750W car selon la notice de mon insert les températures moyennes des fumées porte fermé sont à 382 deg. Ce qui donne 750W avec ton tableur Romvi.

Par contre Romvi j'aimerais s'avoir si le U le 2.1 de W/m²°C est optimiste ou pessimiste. Pourrais tu me donner la formule qui lit ce U à la surface effective de l'échangeur ?

Cdlt

[RomVi]

Ce n'est ni optimiste ni pessimiste, c'est réaliste.
Pour calculer ce coefficient il faut tout d'abord effectuer un bilan sur la combustion, afin de déterminer la composition des fumées.
Cette composition permet de calculer la chaleur massique, la conductivité thermique et la viscosité du mélange. En utilisant la loi des gaz parfait on calcule également un facteur d'expansion thermique. Ces paramètres permettent de calculer le Prandtl des fumées.
Connaissant la puissance de la chaudière on détermine le débit massique de fumées. La température permet de calculer le débit volumique.
Enfin connaissant la vitesse de la fumée et le diamètre de la conduite on calcule le Reynolds.

A partir du Prandtl, du Reynolds et d'une corrélation adaptée au cas de figure on calcule le Nusselt, qui permet de connaitre le coefficient d'échange superficiel.
Tu as un exemple ici : https://en.wikipedia.org/wiki/Nussel...lent_pipe_flow

[margouillas]

Ok mais du coup aurais tu fais un tableur de calcul, pour calculer ce coefficient U, que tu pourrais partager avec moi. En MP si tu ne souhaites pas le diffuser largement, ou bien c'est basé sur ton expérience professionnel.

et du coup si je mettais un mélange glycol dans cet échangeur que deviendrait le U ?

Cdlt

[RomVi]

Non, j'utilise un logiciel de simulation qui le fait directement : https://www.prosim.net/produit/prosi...de-industriel/
J'ai n'ai qu'a simuler une chaudière et une conduite et je récupère toutes les données pertinentes. Je n'ai fais qu'adapter une simulation que j'avais déjà faite dans le passé dans le cadre de mon boulot, mais sur une chaudière bois de 20 MW

[margouillas]

Ok merci beaucoup pour ces retours.

Et est ce que s'en vouloir abuser, si c'est simple pour toi, tu pourrais me donner une idée du U si je mettais du glycol ?

Cdlt

[RomVi]

Ça ne changera rien du tout.
En fait le coefficient d'échange dépend de 3 transferts :
- Un convectif entre les fumées et la paroi du tube, qui est égal à 2.1 avec tes conditions
- Un conductif, à travers l'inox et le cuivre. Je n'ai pas calculé de coefficient, mais il est nettement plus important (1mm d'inox = environ 20 000 W/m²K, 1mm de cuivre = environ 250 000 W/m²K)
- Un convectif entre le liquide de la boucle et le tube, qui vaut environ 1000 à 3000 W/m²K, valeurs typique de convection pour un liquide qui circule dans un tube.

Si on calcule le coefficient global en prenant des valeurs minorantes on obtient 1 / (1/2.1 + 1/20 000 + 1/1000) = 2.095
Comme on peut le constater on retrouve quasiment la même valeur que pour l'interface fumées/tube, ce qui est logique car il y a 3 à 4 ordres de grandeurs de différence.
C'est un peu comme si tu devais traverser le trottoir, puis le quartier, puis la France. Les 2 premiers auront très peu d'impact sur la durée totale du voyage.

Pour augmenter l'échange il faut travailler exclusivement sur le contact entre la fumée et le tube, les autres paramètres n'y changeront absolument rien.

[kawastinger52]

Salut il semble tu ais utilisé une fourrier dans ton tableau, pour calculer ton K
je n'ai pas vérifié le 2,1

Tu as une erreur car quand tu changes le diamètre et la longueur pour ramener aux dimensions de magouillas tes résultats reste statiques il faut passer la C7 en C8 dans tes colonnes.

Mais il y a quand même un soucis ton tableau semble sortir un calcul de conduction statique sur lequel tu as appliqué un gardian pour sortir un Delta T et le reprendre sur un calcul de puissance avec une formule simplifiée.
Or il y a quand même un sacré problème c'est que nous sommes en dynamique coté eau
Donc il faut faire appel aux transformées de Fourier
Autre problème pour calculer un échangeur il faut déterminer le DTLM si on peux donner un DT sur le circuit eau, tu va donner quel DT sur le circuit Air vu que la circulation d'air est statique ( ou presque ) ?
En gros ton tableau calcul quoi exactement ?
Bonne soirée

[kawastinger52]

autre petit détail l'eau est plutôt à 12° que 15 donc évidement (200* (60-12))*1,16= 11 136 wh
Admettons partons sur 10 000 Wh donc 10h de chauffe
Cela suppose de tenir pendant 10h 1000 Wh cela signifie que tu vas devoir tenir dans ton échangeur un débit minimum de 88 litres heures avec un delta T de 10
avec une eau à 60 ° au départ le tout de façon permanente pendant 10h en sachant que dans un insert tu n'as que 2/3 heures de combustion à puissance nominale.
donc toute les 2/3 heures pendant la nuit tu vas te lever alimenter ton feux ?
Et ça c'est si il donne 1000 W ce qui est très loin d'être sure.....

Au passage, je ne comprend pas pourquoi tu n'as pas simplement acheté un insert hydro (avec bouilleur), tellement plus simple et efficace...

[f6bes]

et du coup si je mettais un mélange glycol dans cet échangeur que deviendrait le U ?

Cdlt

Remoi, Hum, tu as peur que ça GELE dans ta cheminée !!
Faudrait tout de meme SAVOIR à quoi sert le glycol....avant d'envisager...des montages ésotériques.
Bonne bidouille

[kawastinger52]

Romvi
je n'avais pas vu ton dernier commentaire.
si j'ai bien compris le sens de ton tableau tu as calculé ton K jusque là pas de problème.

Ensuite tu as développé sur la surface jusque là pas de problème

Ensuite si je comprends bien tu as calculer sur un pourcentage de la surface exposée sur un lap de temp x
en considérant que si tu couvres la totalité de la surface sur ce même temps il y aura élévation de température y.

Mais j'en reviens à mon problème nos sommes en dynamique, l'eau circule avec une vitesse m/s donc elle ne couvre pas toute la surface à un instant T

Tu insiste sur le placement dans les fumées, car si tu fais de l'industriel, tu as des échangeurs de fumées comme celui des cogé
or lui si il fait ça au premier pépin adieux assurance. et on est sur du bois bûche.... en direct.

Sur tes échangeurs de fumée tu passes de l'eau avec un flux et des fumées avec un flux
Seulement margou place sont "échangeur" dans la hotte sans flux

Donc pour moi j'ai un problème de delta T si je peux extrapoler un delta T sur l'eau, je ne peux pas extrapoler un delta T sur L'air .......
et sans deux delta T difficile d'extrapoler une puissance.

[margouillas]

Bonsoir f6bes,

Oui j'ai été un peu vite, je pensais pas a du glycol mais plus à un liquide calorifique qui serait mieux que de l'eau. Bon visiblement Romvi à compris et il n'y aurait pas un grand intérêt.

La conclusion de nos échanges reste quand même que cet échangeur de cheminée n'est pas très puissant et sortirait potentiellement les Watts qui permettrait de chauffer l'Eau sanitaire mais en aucun cas l'eau du ballon de chauffage.

Donc je pense qu'il faut que je regarde une solution de remplacement de mon insert actuel par un insert bouilleur qui lui pourrait potentiellement sortir une dizaines de 10KWh, au vu des doc. constructeurs.

Romvi, Kawastinger52, f6bes,

Auriez vous des références à me recommander pour cet insert bouilleur ?

cdlt

[kawastinger52]

Salut,
perso je n'ai pas de référence, mais il y a un forumeur en retraite qui en as un, il faut que je retrouve son pseudo...
Le marché semble rompu aux italiens, un des derniers bastions de la cuisinière, du poêle et insert bouilleur avec les pays de l'est .....
Mon conseil choisi un modèle avec la plus grande proportion sur l'eau que sur l'air que tu trouves.

Mais avant de revendre ton insert deux trois questions :

as tu déjà déterminé des déperditions ou en as tu une idée ?

es tu contiens que ton ballon ecs est divisé en 2, si tu choisi un 200 litres tu n'auras que 100 litres si tu n'as pas de production solaire.
Donc si tu veux 200 litres il te faut un 400 litres je crois que c'est plutôt ça ...

es tu bien conscient que si tu n'as pas de production solaire, mais qu'il fait chaud tu devras mettre en route ton insert
Sauf si tu gardes ta chaudière gaz bien évidement....

autre question pourquoi ne pas garder ton insert que tu as déjà, virer ta chaudière gaz et mettre une petite chaudière bois
qui pourras te servir n'importe quand dans l'année sans surchauffer ta maison pour produire de l'ECS ?

Crdt.

[f6bes]

Romvi, Kawastinger52, f6bes,

Auriez vous des références à me recommander pour cet insert bouilleur ?

cdlt

Bon je vais faire une photo , de ce qui était mon "insert bouilleur ".
( ni plus ni moins que des tubes soudés )
Ca me servait (déjà dit) comme chauffage CENTRAL.

A+

[RomVi]

Romvi, Kawastinger52, f6bes,

Auriez vous des références à me recommander pour cet insert bouilleur ?

cdlt

Bonjour

Désolé je n'ai pas de référence non plus. Je pense en effet qu'un bouilleur fait pour ça sera plus adapté.