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

[margouillas]

Bonjour,

Je souhaiterais pouvoir calculer l'échange thermique entre l'air de ma hotte de cheminée et un échangeur en cuivre qui se trouve à l'intérieur de la hotte.

Je dispose d'une cheminée à foyé fermé qui est installé dans un caisson en placo-platre de 1.8m3. Ce caisson est isolé par 40 mm de laine de roche de type rockflam.
L'air de ce caisson est réchauffé via l'échange thermique avec les parois de la cheminée en fonte et aussi via l'échange thermique avec le tuyaux d'évacuation des fumées qui traverse le caisson.

La surface de la cheminé qui est dans le caisson est de l'ordre de 1.6m2 (Déployé de la face arrière de la cheminée et des 2 côtés latéraux, la face avant avec sa vitre rayonne sur l’extérieur du caisson. La surface du tuyaux des fumées est aussi d'environ 1.5 m2 (Tuyau de 200 mm de diamètre de 2.5m de haut).

A l'intérieur du caisson j'ai un serpentin de 30 mètres de long (Couronne de cuivre diamètre 16mm) qui est enroulé autour du tuyaux d'évacuation des fumées.

Je souhaiterais faire passer de l'eau dans se serpentin avec un circulateur a vitesse variable pour récupérer les calories de la hotte et les déverser dans un ballon de stockage a eau chaude.

Quand la cheminé est allumée, la température dans la hotte est très élevé, j'ai relevé plus de 70 degré. Je n'ai pas était capable de mesurer au delà de 70deg du fait que mon thermomètre était au max de se qu'il pouvait mesurer.

Je souhaiterais savoir comment calculer l'échange thermique entre l'air de la hotte et l'eau dans le tuyau. Cet échangeur sera utilisé comme énergie d'appoint d'un chauffage solaire.

cdlt
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[margouillas]

Quelques photos pour mieux comprendre:

[margouillas]

Je souhaiterais dans un premier temps ne pas tenir compte dans mon calcul de la déperdition de chaleur du à l'extracteur d'air chaud (qui est représenté sur la photo 3). Cet extracteur d'air chaud n'étant plus en service actuellement.
cdlt

[margouillas]

Je viens de faire des relevés de température avec un thermomètre de cuisine et J'ai plus de 75 deg C dans la hotte au bout d'une heure de fonctionnement à petit feu. Au bout de 10 min aprés allumage j'avais 50 deg.

Est ce que vous pourriez m'indiquer les formules mathématiques à utiliser pour calculer la puissance de cette échangeur Air-Eau ?

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[kawastinger52]

Salut,
Comment te dire..... ceci n'est pas un échangeur air eau, enfin ci mais pas vraiment
et tu as beaucoup trop de paramètres inconnus pour en faire le calcul.
tu peux vérifier un débit thermique si tu as une installation de chauffage à la limite
Sinon au pire une formule simple, 1 Kcal pour élever - 1 litres d'eau - d'1 degré - en 1 minutes

[kawastinger52]

RE : tu pourrais me faire un schéma de ton installation que j'essaye de comprendre ce que tu veux faire ?

[f6bes]

Je viens de faire des relevés de température avec un thermomètre de cuisine et J'ai plus de 75 deg C dans la hotte au bout d'une heure de fonctionnement à petit feu. Au bout de 10 min aprés allumage j'avais 50 deg.

Est ce que vous pourriez m'indiquer les formules mathématiques à utiliser pour calculer la puissance de cette échangeur Air-Eau ?
r
Cordialement

Bjr à toi, Laisse tomber les formules et MESURE (si c'est opérationnel) la température de l'eau chaude ( si chaude !) obtenue.
La tu mesures une températures de l'air dans ta hotte. Cet air est il " stagnant" ou circule t il ?Ton eau dans ton serpentin
va devoir circuler (un aller et un retour)..va te falloir un circulateur qui se mettra en fonctionnement lorsque l'eau du serpentin sera
plus chaude que l'eau que l'eau de ton ballon.
Sinon c'est les calories de ton ballon qui seront envoyées dans ton serpentin (moins chaud).
Il faut donc une différence de température (ballon /serpentin) de façon que le circulateur ne s'enclenche
que si l'eau du serpentin est plus chaude ( différnce de 4° environ).
Ca signifie qu'il va te falloir des sondes de températures pour gérer cela et un peu d'électronique
pour commander le tout.
Bref tu l'auras compris , ce n'est pas aussi simple qu'il y parait.
J'ai utiliser cela par le passé.
Bon WE

[RomVi]

Bonjour

Je suis en mesure de faire ces calculs, mais il faut un schéma de principe avec des côtes, car il est impossible de modéliser d’après les indications des photos. Je ne comprend même pas comment ça fonctionne...

[margouillas]

Bonjour,

Merci pour vos retours.

Le schéma de l'installation de chauffage est le suivant.

L'échangeur de la cheminée serait utiliser comme appoint pour les ballons d'eau chaude sanitaire et de stockage chauffage.

La Priorité sera donné au solaire.

La cheminé serait là uniquement en appoint pour chauffer le haut du ballon de stockage Chauffage ou d `ECS.
Chaudière idem (au cas ou on ne pourrait pas s'en passer).

Les 2 ballons sont en //.

Le solaire alimentera les 2 ballons avec V3V sur le retour pour moduler entre ECS et Chauffage.
La V3V1 serait pilotée à partir de la température du ballon ECS à mi-hauteur avec priorité à l'ECS.

Le « bouilleur » alimentera les 2 ballons avec V3V sur le retour pour moduler entre chauffage et stockage
Le circulateur de la partie cheminée sera piloté en fonction de la différence de température entre l'eau des ballons et l'eau du serpentin.

La V3V2 sera pilotée à partir de la température du ballon de stockage à mi hauteur

La V3V3 sera pilotée en fonction de la consigne de la température extérieur. Si inf à 0 alors T départ = 45 sinon 40 degré (selon les résultats des essais de chauffage).

Le circulateur du ballon stockage serait piloté en fonction du thermostat d’ambiance (température dans la maison vs plage horaire )

L'idée serait de pouvoir calculer la puissance que je vais pouvoir sortir de cet échange thermique avec la cheminée.

Par exemple je souhaiterais me faire une idée, en l'absence de solaire ni d'appoint électrique en combien de temps je chaufferais l'ECS du haut du ballon à 50 deg.

L'excédent sera stocké dans le ballon de chauffage.



Cordialement

[margouillas]

Je pense qu`il me manque un V3V dans le schéma si dessus sur le retour froid de la cheminée pour pouvoir isoler le stockage ECS de celui du ballon.

RomVi je te prépare un schéma de l'échangeur de la cheminé.

merci

[margouillas]

L'échangeur de la cheminée ressemble à ça:



Cdlt

[kawastinger52]

Bonjour

Je suis en mesure de faire ces calculs, mais il faut un schéma de principe avec des côtes, car il est impossible de modéliser d’après les indications des photos. Je ne comprend même pas comment ça fonctionne...

Alors là je suis curieux de voir comment tu peux me calculer ça ?

D'après un coefficient d'échange surfacique sur quelle base ?

il y a un flux d'air dans son caisson, non régulier, une température aléatoire , un besoins en température de fluide inconnus,
Quel delta vas tu utiliser .... enfin là heuuu ???

échange eau vers air oui, là pas de problème, mais de l'air vers l'eau avec ce système pour moi c'est quasi mission impossible sans effectuer des mesures en temp réel
Ou effectivement avec un logiciel de modélisation comme thermoptim.

Mais je suis curieux de voir les valeurs que tu vas rentrer.

[kawastinger52]

Bon ensuite je reviens sur le schéma,
Tu as mis ton échangeur de cheminée en mode de générateur primaire.
Pour moi tu as fais une erreur, tu t'ai trompé d'appareil.
Il aurais fallu que tu prenne un poêle Hydro avec une part plus importante sur l'eau que sur l'air.

Si je ne trompe pas ce que tu as nommé chauffage, n'est pas chauffage, mais ballon tampon avec échangeur solaire

Ensuite vouloir faire du chauffage solaire en priorité est une utopie les meilleurs calcul que j'ai pû faire donnais un rendement thermique global de l'installation de 28 %
avec des capteurs tubulaire sous vide avec couche d'absorbions à 360° intégrée au verre.
Derrière j'avais un plancher chauffant.

je ne sais pas de quoi est composée ton installation mais ton système de ballon solaire est à des années lumière de ce que j'avais calculé.
sachant que la part solaire sur l'eau chaude était de 65%
Je te laisse imaginer ce qu'il reste sur la part chauffage...

L'installation devais être dans le nord de la France donc très favorable au SSC.

Donc je ne sais pas ou tu habite mais du dois considérer ta chaudière gaz comme priorité.
Ensuite le solaire ( c'est de l'intermittent )
et éventuellement ton pseudo échangeur ( ne pas oublier la purge en point haut)

pour ce dernier tu le branches sur le retour piqué en parallèle sur 2 Tés faisant 3x le DN de ton installe pour découpler
ensuite il te faut un kit de rehausse de température à valeur fixe ( le mieux avec moteur de vanne mélangeuse à réglage électronique )
et un thermostat qui prend la température dans ton échangeur pour enclencher la pompe .

Ensuite tu as un soucis avec le branchement du retour de ta chaudière gaz .....

Crdt.

[kawastinger52]

si tu avais eu un insert bouilleur ou unechaudière tu aurais eu ceci par exemple
attention la chaudière gaz n'est pas équipée d'un circulateur, autrement il faut découpler.


je vais essayer de trouver un autre schéma avec un peu plus de priorité sur le solaire
La flemme d'en faire un ...

[margouillas]

Bonjour,

Quelques clarifications sur le caissons. Il n'y a pas de flux d'air dans le caisson de la cheminé. Si vous faisiez allusion a l'échangeur d'air chaud qui est dans la cheminée celui n'est plus utilisé. L'extracteur est démonté.

Le but du post initial n'étant pas de faire le dimensionnement complet du système de chauffage mais uniquement l'échangeur de la cheminée, je n'ai donnée aucune indication sur la partie solaire ni sur le reste. Je tiens à préciser que ce n'est qu'un schéma fonctionnel.

Dans ce schéma d'installation la surface des capteurs est pour l'instant estimée à 19 m2. L'ECS à 200L et la ballon de stockage pour le chauffage à 1500L.

Sachez qu'un système ECS solaire sur Toulouse avec 2.5m2 de panneau solaire à 50-55 deg plein sud et une ballon de 200 L (eau @50-55deg) permet de répondre à 60% du taux de couverture annuel en besoin d'eau chaude d'un foyer (cf. http://ines.solaire.free.fr/ecs_1.php).

cdlt

[margouillas]

Dans le schéma que vous avez indiqué la priorité semble donné à la chaudière bois. car la chaudière à la possibilité de chauffer tout le stockage d'eau de chauffage et d'être également
utilisé en appoint pour l'ECS.
Dans mon cas, l'échangeur n’a probablement pas la puissance nécessaire pour chauffer tout le stockage mais uniquement les parties hautes des ballons.

En fonction des résultats de calculs de la puissance de l'échangeur, cette philo pourra être revue.

POur la partie solaire le schéma que vous avez indiques semble cohérent avec celui que j'envisage.

cdkt

[margouillas]

Je tiens également à préciser que j'ai fait des essais sur ma chaudière actuelle et que quand il fait -5 deg de T Ext, il me faut une température de départ chauffage de 45 deg C et qu'a 2-3 deg de Temp Ext C, mon installation marche bien avec 40 deg de Température départ chauffage.

-5deg de Temp Ext c'est le min que nous avons sur l'année sur la région Toulousaine.
cdlt

[RomVi]

Merci pour ce schéma c'est beaucoup plus clair.
Je peux faire un calcul grossier, pour donner un ordre de grandeur ; je te répond dès que possible.

[margouillas]

Encore merci à vous deux pour vos retours qui font grandement avancé ma réflexion.
Cdlt

[kawastinger52]

Salut,
alors soyons clair un échangeur air eau implique un flux d'air et ton caisson doit avoir des sorties d'air sous peine de rapides problèmes.

Pour avoir un rendement thermique assez élevé pour tenir une puissance en chauffage, il faut travailler avec des températures beaucoup plus hautes.

Là ton échangeur à le débit d'un pipi après avoir bu 6 bières d'affilées.
Tu ne peux pas l'utiliser en mode de chauffage principal.

Plus sérieusement si tu prends une cogénération de méthanisation, tu vas utiliser un échangeurs air eau plus précisément, un échangeur Gaz eau,
dans cet échangeur tu fais circuler de l'eau à 85° en entrant et pour élever la température de cette eau de 10° il faut que la température avoisine les 500 °.

L'échangeur air/fluide le plus connus est la pompe à chaleur air/eau, évidement tu ne travail pas directement sur l'eau.
Pour être plus clair un échangeur air / eau utilise les principes de la thermodynamique.

A la limite tu aurais pu prendre ton extracteur dans ta hotte et faire circuler l'air dans un caisson contenant une batterie d'eau (un peu type radiateur de voiture si tu veux)
Là en mesurant le débit d'air moyen traversant la batterie, en mesurant l'air avant et après la batterie, et les températures d'eau à divers débit on pourrais envisager de calculer une puissance et un rendement.
Mais là encore faudrait il pouvoir dimensionner la batterie.

Sur ton échangeur nous pourrions envisager un calcul genre panier géothermique, mais sincèrement le calcul reste aléatoire.

Autre exemple qui ce rapproche le plus.. ce sont tes panneaux solaire.
Les tubes sont enfermé dans un espace presque clos, isolé et maintenu à très haute température, le manque de débit est compensé par des températures de travail élevées.

Le plus simple dans ton cas serait de mettre le circuit en service et de mesurer les températures et les débits.

Le schéma que j'ai posté donne effectivement la part belle au bois car l'inconvénient de ce type d'appareil est que tu ne peux pas couper le flux d'énergie une fois que la mise en chauffe à commencé.

Ensuite à Toulouse le taux de couverture ECS est de 75% et non pas 60 %, mais comme tu as de moins gros besoins en chauffage que dans le nord le rendement global finira au alentour de 30 %

Ensuite si tu envisage un 19 m2 dans le Sud de la France tu vas te retrouver avec une surpuissance terrible, il va falloir décharger sur une piscine.

Petite info complémentaire si tu envisages un travail priorité directe au solaire, le mieux est de ne pas travailler de cette façon mais plutôt avec un échangeur à plaques
Ton solaire passe par un échangeur à plaques et devient générateur direct à la manière d'une chaudière bois.

Bonne soirée

[f6bes]

Remoi,
Vu l'EXISTANT de l'installation, c'est bien se compliquer la vie pour récupérer un soupçon de qq chose.
Comme déjà exprimé faudra savoir arréter la circulation de l'eau si le ballon est plus chaud que le " récupérateur".
Sinon on refroiddit l'eau du ballon § Donc faut que ce soit fait de façon automatique (sonde de température et automate de
gestion).
Bon....amusement

[RomVi]

Voici une feuille de calcul qui permettra d'estimer la puissance échangée.
Comme on peut le constater ce n'est pas très intéressant ; le problème vient de l'échange plus que limité coté fumées. Pour l’améliorer il faudrait un échangeur placé dans le conduit.

[margouillas]

Merci RomVi pour tes calculs

Je comprends que tu as calculé l'échange entre le conduit des fumées et le serpentin et c'est pourquoi tu arrives à ces conclusions.

Je pense qu'il faut aussi considérer l'échange entre le foyer et le serpentin. Le foyer est directement encastré dans la hotte et c'est clairement lui qui chauffe l'air de la hotte bien plus que le conduit d'évacuation des fumées.

Le foyer à une surface de 75*60cm (arrière) + 2*45*60cm (côtés) + 75*45 haut = 1.3m2 de fonte. J'imagine que quand j'ai 400 deg dans le foyer, la fonte de tout le foyer dont sacrément monté en température, et cette fonte réchauffe l'air de la hotte.

Cdlt

[margouillas]

Bonjour f6bes,

L'installation sera équipés d'une centrale de gestion solaire pour gérer les différentes températures de l'installation solaire et crois moi que la gestion d'un installation solaire complète c'est bien plus compliqué que la gestion d'un circulateur avec une sonde de température.

Pour te donner un idée des capacités de régulations des centrales solaires, si tu as encore des doutes, tu peux aller du côte de chez TA UVR1611.

https://www.ta.co.at/fileadmin/Downl...A4.03-2_FR.pdf

Alors je penses qu'il ne faut pas s'arrêter à ca.

Cdlt

[RomVi]

Merci RomVi pour tes calculs

Je comprends que tu as calculé l'échange entre le conduit des fumées et le serpentin et c'est pourquoi tu arrives à ces conclusions.

Je pense qu'il faut aussi considérer l'échange entre le foyer et le serpentin. Le foyer est directement encastré dans la hotte et c'est clairement lui qui chauffe l'air de la hotte bien plus que le conduit d'évacuation des fumées.

Le foyer à une surface de 75*60cm (arrière) + 2*45*60cm (côtés) + 75*45 haut = 1.3m2 de fonte. J'imagine que quand j'ai 400 deg dans le foyer, la fonte de tout le foyer dont sacrément monté en température, et cette fonte réchauffe l'air de la hotte.

Cdlt

Oui je peux le prendre en compte, mais pour ça il faudrait mesurer la t° réelle de l'air environnant. Si je le prend à 770°C par défaut ça ne change pas beaucoup le résultat de la feuille de calcul.

[RomVi]

je voulais bien sur écrire 70°C, mais trop tard pour éditer.

[margouillas]

J'avais mesuré l'aire de la hotte dix minutes après avoir allumé la cheminée, elle était alors à 50 deg C. et à 76 deg C après peut être 30 minutes de chauffe à petit feu.

cdlt

[margouillas]

Du coup, si J'ai un volume d'air de 1.8m3 à 76 deg, et que je suppose que la température de l'air reste constante (reste à confirmer) dans la hotte quand je fais passer de l'eau dans mon serpentin quelle puissance je vais pouvoir sortir de cet échange ?

cdlt

[RomVi]

Ca ne fera pas une grosse différence face a des fumées qui sont au minium à 200°C.
Mon calcul n'est pas très précis, mais l'ordre de grandeur reste cohérent.

[margouillas]

Bon. Donc en résumé l'échangeur dans la cheminée ne sert à rien. Il ne va récupérer que peu de calories. C'est bien ça qu'il faut comprendre ?
Car si je fais passer de l'eau a 20 degré dedans et qu'au final je sors de l'eau à 20.2 ça sert à rien.

Si en pratique je veux m'en convaincre. Il faudrait que je mette en pression ce circuit avec VE et sous pape de sécurité et que je le fasse circuler cet échangeur dans un ballon et que je monitore la température de l'eau du ballon et de départ et retour échangeur, c'est bien ça ?

Fabrice