vitesse de transfert de chaleur?

[DEn]

Bonjour,
toujours dans le domaine du chauffage...
si on prend l'expérience des "marcheurs sur lit de braises" on voit bien que si l'on va assez vite, les braises pourtant brulantes n'ont pas le temps de transférer la chaleur. On le voit aussi avec un chalumeau : la flamme pourtant à 3200⁰C que l'on passe et repasse trop vite sur un tube de cuivre n'arrive pas à l'amener à température pour une brasure forte, il faut bouger la flamme mais "doucement" si on veut que le transfert de chaleur s'oppère.

d'où ma question, dans un système de transfert de chaleur (tube immergé par exemple ou échangeur à plaque) on a d'un côté de l'eau chaude et de l'autre de l'eau plus froide, est-ce qu'il existe une vitesse optimum en fonction des deux températures pour que le transfert se fasse? je suppose que le séparateur, via sa conductivité thermique va jouer un rôle, mais elle n'est pas liée au temps, mais du coup je me demande s'il y a une grandeur physique décrivant en fonction du matériau sa vitesse de captage de l'énergie et sa vitesse de perte.....

merci
cordialement
-----

[invite40271050]

A mon avis c'est la durée d'exposition, qui limite la sensation de chaleur.
Tu peux passer ta main dans la flamme d'une bougie si tu le fais rapidement.
Tu ne te bruleras pas (bougie = 700 °...à l'estime)
Evite de faire la meme avec un chalumeau, ça risque de sentir le cochon grillé !!
Il y a la "quantité de chaleur" et le temps soumis à cette quantité.
Le gars qui court sur des braises,ne doit pas avoir assez de temps pour léviter.
Donc au bout du parcours=....chaud devant !!
Il aura eu le temps d'en prendre une dose.
Ce que l'histoire ne dit pas......a t il fait un traitement sous la plante des pieds...ça peut aider
pour une "démonstration"....rapide !
A+

[yves35]

bonjour,

mais du coup je me demande s'il y a une grandeur physique décrivant en fonction du matériau sa vitesse de captage de l'énergie et sa vitesse de perte.....

la diffusivité?
https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffus...3%A9_thermique

yves

[ThM55]

conductivité thermique va jouer un rôle, mais elle n'est pas liée au temps

La conductivité thermique est liée au temps: elle relie la quantité d'énergie thermique transférée par unité de temps au gradient de température.

[A voir en vidéo sur Futura]

[gts2]

Bonjour,

La diffusivité D parait être la bonne solution.
A partir de là, on peut évaluer le temps caractéristique pour chauffer sur l'épaisseur e : τ=e²/D et si la largeur de chauffage est L et la vitesse de déplacement v, il faut que t=L/v=τ.

[trebor]

Bonjour,
toujours dans le domaine du chauffage...
si on prend l'expérience des "marcheurs sur lit de braises" on voit bien que si l'on va assez vite, les braises pourtant brulantes n'ont pas le temps de transférer la chaleur. On le voit aussi avec un chalumeau : la flamme pourtant à 3200⁰C que l'on passe et repasse trop vite sur un tube de cuivre n'arrive pas à l'amener à température pour une brasure forte, il faut bouger la flamme mais "doucement" si on veut que le transfert de chaleur s'oppère.

d'où ma question, dans un système de transfert de chaleur (tube immergé par exemple ou échangeur à plaque) on a d'un côté de l'eau chaude et de l'autre de l'eau plus froide, est-ce qu'il existe une vitesse optimum en fonction des deux températures pour que le transfert se fasse? je suppose que le séparateur, via sa conductivité thermique va jouer un rôle, mais elle n'est pas liée au temps, mais du coup je me demande s'il y a une grandeur physique décrivant en fonction du matériau sa vitesse de captage de l'énergie et sa vitesse de perte.....

merci
cordialement

Bonjour à tous,
Pour imager votre question par un exemple.
Un réservoir contenant 5 L d'eau à 20°C dans lequel est immergé un tuyau en cuivre en forme de serpentin qui contient un volume d'eau de 1 litre à une température de 80°C avec un débit de 0,1 m³/h.
Quelle doit être la durée du débit d'eau dans le serpentin afin que les 5 L d'eau du réservoir soit à 80°C ?

Pour même débit d'eau dans le serpentin, une surface plus importante du tuyau de cuivre avec l'eau (diamètre ou sa longueur), l'eau du réservoir sera rapidement porté à la même température.
Un débit d'eau plus rapide chauffera plus et inversement.

1,16 * 0,1m³/h * (80°-20° delta 60°C) = 6,96 KW.h, une heure ne sera pas nécessaire pour porter 5 L à 80°C.
P nécessaire =(80°-20°)*(4186*5 L)/3.600.000 = 0,3488 KW.h
6,96 KW.h / 60 = 0,116 KW.h par minute
0,3488 KW.h/0,116 KW.h= 3 minutes.

Un débit d'eau dans le tuyau de cuivre plus rapide et plus l'eau du réservoir sera rapidement porté à 80°C.

[Antoane]

Bonjour,

@Trebor : tu supposes que l'eau sort du serpentin à 20°C (même lorsque le bain est à une température significativement plus élevée), et tu négliges la résistance thermique d'échange "entre les fluides". En vrai, la température du bain croit plutot exponentionnellement.

dans un système de transfert de chaleur (tube immergé par exemple ou échangeur à plaque) on a d'un côté de l'eau chaude et de l'autre de l'eau plus froide, est-ce qu'il existe une vitesse optimum en fonction des deux températures pour que le transfert se fasse? je suppose que le séparateur, via sa conductivité thermique va jouer un rôle, mais elle n'est pas liée au temps, mais du coup je me demande s'il y a une grandeur physique décrivant en fonction du matériau sa vitesse de captage de l'énergie et sa vitesse de perte.....

Plus l'eau circulera vite, moins chaque goute aura le temps de céder de son énergie au circuit secondaire. Donc plus l'eau circulera vite, moins elle refroidira entre l'entrée et la sortie, et donc plus le réchauffement du circuit secondaire sera rapide.
Mais si l'eau sortant du serpentain est perdue (e.g. mise à l'évier), alors plus l'eau circulera vite plus l'eau perdue sera chaude, et plus le cout de l'opération (cout de l'eau et de son chauffage) sera élevé.

[trebor]

Bonjour,

@Trebor : tu supposes que l'eau sort du serpentin à 20°C (même lorsque le bain est à une température significativement plus élevée), et tu négliges la résistance thermique d'échange "entre les fluides". En vrai, la température du bain croit plutot exponentionnellement.


Plus l'eau circulera vite, moins chaque goute aura le temps de céder de son énergie au circuit secondaire. Donc plus l'eau circulera vite, moins elle refroidira entre l'entrée et la sortie, et donc plus le réchauffement du circuit secondaire sera rapide.
Mais si l'eau sortant du serpentin est perdue (e.g. mise à l'évier), alors plus l'eau circulera vite plus l'eau perdue sera chaude, et plus le cout de l'opération (cout de l'eau et de son chauffage) sera élevé.

Pour un circuit en bouclé fermée et pour obtenir le meilleur rendement.
L'idéal serait de remplir le serpentin d'eau à 80°C et puis de stopper la pompe de circulation et mesurer la T° d'eau dans la cuve qui va augmenter lentement et dès que la T° n'augmente plus, redémarrer la pompe pour de nouveau remplir le serpentin à 80° et ainsi de suite.
Jusqu'à ce que l'eau dans la cuve soit à 80°C.
Une circulation d'eau saccadée de durée variable dans le serpentin.
Plus la surface d'échange du serpentin sera importante et plus rapide sera l'échange thermique entre le serpentin et l'eau dans la cuve.
Je suppose que ça fonctionne ainsi (sauf la T° finale) pour les chaudières avec un ballon ECS avec serpentin interne ?

[yves35]

bonsoir,

ce n'est pas pas que j'ai l'esprit tortueux mais dans cette histoire de serpentin (donc il y a un haut et un bas) le sens de circulation a son importance. La meilleure collecte (ou le meilleur échange) se fait en rentrant en haut et en sortant en bas . Parce que la température est stratifiée dans le ballon

yves

[C2H5OH]

Bonjour,
"Un réservoir contenant 5 L d'eau à 20°C dans lequel est immergé un tuyau en cuivre en forme de serpentin qui contient un volume d'eau de 1 litre à une température de 80°C avec un débit de 0,1 m³/h.
Quelle doit être la durée du débit d'eau dans le serpentin afin que les 5 L d'eau du réservoir soit à 80°C ?"



C'est évident, les 80° ne seront atteints que pour t= infini.

[trebor]

bonsoir,

ce n'est pas pas que j'ai l'esprit tortueux mais dans cette histoire de serpentin (donc il y a un haut et un bas) le sens de circulation a son importance. La meilleure collecte (ou le meilleur échange) se fait en rentrant en haut et en sortant en bas . Parce que la température est stratifiée dans le ballon

yves

Bonjour,
Par curiosité.
Un ballon ECS prévu et installé horizontalement serait-il moins performant que celui qui est prévu et placé verticalement ?
A mon avis j'ai l'impression que c'est kif-kif, non ?

[invite40271050]

Si ton ballon est cubique , ou sont l'horizontale et la verticale ? A supposer un ballon classique (prévu pour etre vertival)...
Que se passe til , d'aprés toi ,concernant l'immersion du serpentin !
Le serpentin peut se retrouver (suivant sa position) avec seulement une partie...immergée.
Donc placer un ballon vertical en horizontal, c'est pas forcément bon.
Par contre il existe des ballons horizontaux (j'en ai eu un) qui sont prévus pour un usage satisfaisant.
A+

[trebor]

Si ton ballon est cubique , ou sont l'horizontale et la verticale ? A supposer un ballon classique (prévu pour etre vertival)...
Que se passe til , d'aprés toi ,concernant l'immersion du serpentin !
Le serpentin peut se retrouver (suivant sa position) avec seulement une partie...immergée.
Donc placer un ballon vertical en horizontal, c'est pas forcément bon.
Par contre il existe des ballons horizontaux (j'en ai eu un) qui sont prévus pour un usage satisfaisant.
A+

Bonjour à tous,
J'ai précisé qu'il était prévu, j'aurai dû écrire conçu pour être installé horizontalement.

[DEn]

merci pour les nombreuses réponses même si certaines sont hors sujet (techniquement que ce soit un serpentin et le sens de circulation, c'est d'autres sujets)

La conductivité thermique est liée au temps: elle relie la quantité d'énergie thermique transférée par unité de temps au gradient de température.

en effet, c'est des watts/(m.K) soit des J.s/(m.K) mais dans le cas de l'eau c'est donné pour une température (la conductivité thermique de l'eau est de
0,6071WK⁻¹m⁻¹ à 298 K
0.6 WK⁻¹m⁻¹ à 293 K

donc il y a un effet de variation temporelle... en supposant le cas le plus simple : l'échangeur à plaque, entre deux plaque de surface S il y a une épaisseur E, d'un côté par exemple de l'eau à 298K et de l'autre de l'eau à 293K, la température à l'équilibre est donc de 293,5K, je vais dans un premier temps ignorer la conductivité de l'inox... d'un côté l'eau va perdre chaque seconde S*0,671/e Joules et de l'autre elle est capable d'accepter S*0,6/e Joules

ce qui m'embête c'est les deux conductivités n'étant pas égales, je dirais que c'est la conductivité la plus faible qui est limitante, et donc il ne peut se transférer que S*0,6/e Joules chaque seconde, si on suppose que le fluide reste 1s dans l'échangeur avant renouvellement, l'eau qui sort a donc la différence de conductivité d'énergie non échangée
ce qui est logique... et explique pourquoi l'eau qui circule trop vite ressort avec quasi la même température
on voit ensuite que forcément, plus la "paroi" d'échange est peu épaisse, plus l'échange est rapide (si on prend une épaisseur de 0,1mm soit 0,0001m en inox soit 16,3WK⁻¹m⁻¹ à 296K, cela fait une capacité de tranfert de 163kW/m² de "flux thermique" à DT de 1K, si on prend maintenant 1mm d'épaisseur en cuivre 386,0WK⁻¹m⁻¹ à 279K (désolé mais toutes les informations que je trouve ne sont pas à même température) cela fait 386kW/m² de "flux thermique"

en gros le problème va se résumer en : une intégrale sur la longueur d'échange des (conductivité thermiques*dS*dT)=(énergie transférée)
le facteur limitant vu que l'évolution de la conductivité thermique de l'eau augmente avec la température (mais que l'évolution de la conductivité thermique du cuivre semble diminuer avec la température mais elle est largement supérieure à celle de l'eau) semble être l'épaisseur d'eau*conductivité thermique...

[gts2]

donc il y a un effet de variation temporelle... en supposant le cas le plus simple : l'échangeur à plaque, entre deux plaque de surface S il y a une épaisseur E, d'un côté par exemple de l'eau à 298K et de l'autre de l'eau à 293K, la température à l'équilibre est donc de 293,5K, je vais dans un premier temps ignorer la conductivité de l'inox... d'un côté l'eau va perdre chaque seconde S*0,671/e Joules et de l'autre elle est capable d'accepter S*0,6/e Joules

L'énergie se conserve : donc, en régime permanent, ce que perd l'eau d'un côté, l'autre le récupère identiquement de l'autre. Ce qui change c'est la variation de température correspondante.
Les problèmes d'échangeur ce n'est pas niveau lycée, mais cela reste abordable : voir par ex. echangeur-thermique
3.1.1 bilan global sans s'occuper de la manière dont se fait le transfert
3.2.2 prise ne compte simple du transfert

[yves35]

bonjour,

retour à la base:

d'où ma question, dans un système de transfert de chaleur (tube immergé par exemple ou échangeur à plaque) on a d'un côté de l'eau chaude et de l'autre de l'eau plus froide, est-ce qu'il existe une vitesse optimum en fonction des deux températures pour que le transfert se fasse?

oui il existe une vitesse optimum. Elle est lié surtout au générateur de chaleur aussi. Je vais prendre l'exemple de la gestion du transfert de chaleur des capteurs solaire vers le ballon: la source de chaleur est inconstante . La régulation (l'automate) qui gère la vitesse du circulateur démarre à 100% puis observe quelle est la chute de température des capteurs et en déduit une vitesse optimum pour charger au mieux le ballon (30 à 100%). La vitesse du circulateur est modifié en continu pour suivre les conditions d'ensoleillement. Et surtout pour éviter de transférer de la chaleur du ballon vers les capteurs. Le problème est différent pour une source de chaleur constante,je pense (quoique elle peut aussi moduler).

Pour le hors sujet du sens de la circulation, que ce soit un liquide ou de l'air (dans le cas d'une vmc double flux) l'optimum est que le plus chaud de la source rencontre d'abord le plus chaud (mais un poil moins,sinon il n'y a pas d'apport) du stock et en cédant de la chaleur aille vers le plus froid du stock.

Outre la vitesse de circulation la surface d'échange a son mot à dire . Et sans doute au moins autant que le matériau de l'échangeur. Il y a des échangeurs de DF en plastique qui n'est pas hyper conducteur

yves

[stefjm]

oui il existe une vitesse optimum. Elle est lié surtout au générateur de chaleur aussi. Je vais prendre l'exemple de la gestion du transfert de chaleur des capteurs solaire vers le ballon: la source de chaleur est inconstante . La régulation (l'automate) qui gère la vitesse du circulateur démarre à 100% puis observe quelle est la chute de température des capteurs et en déduit une vitesse optimum pour charger au mieux le ballon (30 à 100%). La vitesse du circulateur est modifié en continu pour suivre les conditions d'ensoleillement. Et surtout pour éviter de transférer de la chaleur du ballon vers les capteurs. Le problème est différent pour une source de chaleur constante,je pense (quoique elle peut aussi moduler).

Pour le solaire, un bête hystérésis sur la différence de température entre capteur solaire et ballon suffit largement, avec commande de circulation constante.
Du genre :
- ON si Tc-Tb>6°
- OFF si Tc-Tb<3°

[yves35]

bonsoir,

Pour le solaire, un bête hystérésis sur la différence de température entre capteur solaire et ballon suffit largement, avec commande de circulation constante.
Du genre :
- ON si Tc-Tb>6°
- OFF si Tc-Tb<3°

non justement. C'est ce qui se faisait au début du solaire. Avec ce genre de consigne on a un fonctionnement haché en marche/arrêt si on n'a pas un ensoleillement constant. Ce n'est pas optimum pour collecter le maximum d'énergie:il y a des moments ou le circuit fonctionne trop chaud,donc perds plus par le vitrage du capteur.Il vaut mieux baisser la vitesse (le débit) du circulateur pour continer à collecter en continu même moins mais plus longtemps. Ce problème n'existe pas avec une source de chaleur de puissance connue et constante

yves

[stefjm]

Bonjour,
Pour avoir beaucoup observer ma chaudière solaire dans toute les conditions de fonctionnement, le seul point allant dans votre sens que j'ai pu constaté est que lors d'un redémarrage (suite à delta >6°C), la température du capteur solaire monte d'abord un poil avant de redescendre et de se stabiliser.

Cela me parait bien négligeable et ne pas justifier une commande proportionnelle.