Dimensionnement serpentin hélicoïdal et système de chauffe pour la fabrication d'un pasteurisateur

[invite4b26b527]

Bonjour à tous,

Je me lance dans la fabrication d'un pasteurisateur afin de conserver différents jus de fruit.
Vous trouverez ci-joint une image du système que je souhaite réaliser.
Le but de ce système est d'élever la température du jus de fruit, qui à une température initiale comprise entre 10 et 30°C (température ambiante), à une température de 78°C.

Pour ce faire, le jus circule grâce à la gravité à l'intérieur d'un serpentin hélicoïdal en INOX 316L qui est lui même plongé dans une cuve dont l'eau est maintenu à une température de 80°C par l'intermédiaire d'une résistance, relié à un régulateur de température.
La cuve d'eau sera probablement réalisée à partir d'un chauffe eau afin de d'avoir une cuve isolé thermiquement.
La résistance sera probablement une résistance de machine a laver.
Le débit souhaité en sorti est d'environ 1 à 2 L/min

N'ayant quasiment aucune connaissance en thermique, je vous sollicite afin de :
- déterminer la géométrie du serpentin : diamètre et longueur du tube
- déterminer la puissance maximale de la résistance afin de maintenir la température de l'eau à 80°C
- déterminé la puissance de la résistance afin d'obtenir une température de l'eau a 80°C en X min à partir d'une température initiale de 20°C (a déterminé une fois le serpentin dimensionner afin de connaitre le volume d'eau a chauffer).

J'espère avoir été claire dans mes explications et ma demande. N'hésitez pas à me demander davantage information ou d'explication.
Je suis conscient que l'ensemble des paramètres (Ø, longueur, volume, débit, puissance…) sont liés et qu'il existe donc une infinité de solutions, par conséquent je souhaiterai que vous m'apportiez vos lumière sur les différentes formules à utiliser afin que je puisse dimensionner le système suivant le matériel à ma disposition.
En vous remerciant par avance.
-----

[penthode]

hello ,

pourquoi n'utilises-tu pas la résistance de chauffage d'origine ?

ce qui évitera un bricolo scabreux avec des problèmes d'étanchéité

d'autre part , si une bonne précision de la T° est nécessaire , il te faudra prévoir un brassage de l'eau .

[invite4b26b527]

Bonjour Penthode,

Oui effectivement si sa position n'interfère pas avec le serpentin et que sa puissance est adaptée j'utiliserai la résistance d'origine.
En se qui concerne le brasage de l'eau, je n'est pas besoin d'avoir une homogénéité parfaite de la température. Il faut simplement que la température de l'eau soit de 80°C par endroit. Par conséquent la sonde devra être placée à l'endroit "le plus chaud".
Se qui est important c'est que la température de sorti soit comprise entre 78°C plus ou moins 1°C (80°C moins perte au niveau du robinet). Pour s'en assurer je pensais prendre en compte les paramètres critique (T°C ambiante la plus basses…) pour le dimensionnement du serpentin et ajouter une sur longueur, quite à se que je jus parcours plusieurs mètres a la température voulu.
Sinon en se qui concerne les calculs, peux-tu m'éclairer ?

[penthode]

je laisse la place aux thermodynamiciens

mais je crains que le calcul soit difficilement réalisable compte tenu de la mégachiée de paramètres en jeu

une expérimentation ira bien plus vite pour une efficacité certaine

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite4b26b527]

Le souci c'est que je n'est pas réellement envie de fabriquer un serpentin qui finalement ne conviendra peut-être pas.
Je vais attendre d'autre réponse et avis et je verrai en fonction.
En tous cas merci pour tes remarques.

[RomVi]

Bonjour

Pourquoi viser une température de sortie aussi précise ?

[invite4b26b527]

Bonjour,

C'est la température préconisée afin de garantir une bonne conservation tout en gardant le maximum des biens fait du jus de fruit.

[RomVi]

Dans ce cas ca va être assez difficile, pour ne pas dire impossible : La température dans la cuve va rapidement évoluer, et la résistance ne pourra pas compenser la dérive. Il faudra en outre une agitation très performante pour avoir une température homogène. Il serait plus simple de mettre le jus en bouteille, et ensuite de chauffer le tout au bain marie (c'est ce que je fais avec le jus de pomme).

[invite4b26b527]

Tu utilise la stérilisation comme procédé. La pasteurisation du fait de la température «*contrôlée*» du jus permet de conserver un maximum de vitamines etc...
La restistance doit permettre de maintenir l’eau de la cuve à 80 degrés et chauffer le jus contenu dans le serpentin dans la durée définie par la vitesse d’écoulement. La difficulté est donc dans la détermination du débit afin d’avoir une résistance de puissance raisonnable.
En se qui concerne l’agitation, je ne pense pas que cela soit indispensable sachant que je souhaite dimensionner le serpentin de façon à se que le jus est attend la température de l’eau de la cuve 1 ou 2 mètres avant la sortie.
Les positions de la résistance et de la sonde de température serront néanmoins importantes.

[RomVi]

Il y a un problème avec ton système, le jus de fruit va se réchauffer, mais il va bien être obligé de prélever de l'énergie quelque part : L'eau dans la cuve ne va pas rester à 80°C, et la résistance ne pourra pas compenser la perte de chaleur assez vite. La température va forcément évoluer et ne pas rester homogène.
Donc même si tu ne "penses" pas que l'agitation est indispensable c'est pourtant le cas.

[invite4b26b527]

Ce genre de système existe (voir lien ci-dessous) et ne sont pas composés d'agitateur. Certes cela permettrai une meilleure précision.
Pour la puissance de la résistance seul un calcul ou des tests permettrai de justifié se que tu me dis. As-tu des valeurs numérique a me donné pour la puissance qu'il faudrait ?

Liens :
https://www.simaco-shop.com/fr/paste...pastoduo-.html
https://www.tompress.com/A-1322-past...racking=Lengow

[RomVi]

Pour réchauffer 2l/min de jus de fruits de 10 à 78°C il faut apporter une puissance de (78-10) * 4180 * 2/60 = 9 500W.
L'appareil désigné a une résistance de 1500W pour un débit annoncé de 0.5 l/min, ce qui semble réaliste, mais il ne faudra pas espérer sortir pile à 78°C.

[invite4b26b527]

Effectivement 9 500 W c'est beaucoup trop.
En faite si je regarde ta formule, la longueur du serpentin n'intervient pas. J'ai du mal a comprendre pourquoi. Peux-tu m'expliquer ?

Merci par avance.

[RomVi]

La longueur du serpentin n'intervient pas si on suppose qu'il fait le job (sortir le jus à 78°C), ensuite pour calculer si il est assez long c'est un peu plus compliqué.
En gros on peut considérer que le serpentin échange 400W par m² de tube et par degré de différence entre le bain et le jus de fruit.
Si le jus entre à 10°C et sort à 78 et que le bain est à 80°C alors on a une différence de température moyenne égale à 80 - (78+10)/2 = 36°C
La surface nécessaire est égale à 9500 W / (400W/m²°C * 36°C) = 0.66m².
Si on utilise un tube de 1cm de diamètre (0.01*pi*1= 0.0314 m² par metre) il faudra un serpentin de 0.66 / 0.0314 = 21 m de long.

Il s'agit d'une estimation haute, le coefficient d'échange pourrait être plus élevé, et donc la longueur plus faible, mais ici tu es sur que ca fonctionne.

[invite4b26b527]

Merci pour tes réponses. 21 mètres de tube et 9500W sont des valeurs beaucoup trop importantes ! Je vais revoir le débit a la baisse …
Est ce que la surface d'échange est lié au coefficient d'échange ? Est ce que si j'augmente le diamètre du tuyau je peux garder un coefficient d'échange de 400W/m²
De plus comment est se que je peux déterminer l'énergie perdu par les parois de la cuve?

[RomVi]

La puissance perdue par les parois est de l'ordre de 10W par m² et par degré de différence (t° eau - t° air). Éventuellement on peut couvrir d'un isolant pour limiter.
Ici le coefficient d'échange dépend assez peu du diamètre, car c'est surtout du coté eau chaude que c'est déterminant. Par contre avec un tube plus gros on a plus de surface au mètre donc une longueur nécessaire plus faible.

[invite4b26b527]

La cuve sera réaliser à partir d’un chauffe eau donc déjà isolé mais un isolant supplémentaire sera que mieux.

Je vais faire différents calculs en faisant varier les paramètres afin de trouver un juste milieu.
Concernant le volume de la cuve, faut-il qu’il soit assez conséquent pour avoir une certaine inertie ou au contraire le moins important possible afin de limiter les pertes ?

En tout merci beaucoup pour toutes ces réponses précises et rapides.