TIPE Conditionnement d'aquarium .

[inviteaddbc62b]

Bonjour , je fais un TIPE sur l'étude d'un échangeur thermique appliqué au conditionnement d'aquarium . Donc je cherche à optimiser le rendement de cette échangeur à travers divers méthodes . Le but étant de faire passer une eaux à 18°c à 25°c ( temperature pour les poissons des tropiques ..)
Enfin les poissons c'est pas le sujet , je veux maximiser le rendement lors d'une variation de 7°c . (ou plutôt le but est de conserver mes 25°c stable , car on chauffe en permanence).
Donc je viens de concevoir ma maquette : Un aquarium ( perçé de part et d'autre ) , un échangeur tubulaire en cuivre ( formant 6 spires ) le travers .
Un raccord de cuivre allant déverser le fluide caloporteur (de l'eau aussi ) dans un 2nd bac calorifugé muni d'un thermoplongeur .
Un raccord en cuivre enrobé d'isolant (pour le calorifuger ) allant à ma pompe d'aquarium ( qu'il faut j'achète )
Un dernier raccord de cuivre enrobé d'isolant allant à l'entrée de l'aquarium bouclant mon circuit .

Pour faire bref , mon fluide chauffé part de mon bac chaud -> pompe -> entrée d'aquarium -> transfert thermique avec l'eau de l'aquarium pour la réchauffer -> sortie de mon fluide désormais froid , de l'aquarium -> retour au bac .
J'aimerai donc montrer l'influence du débit de la pompe sur ces échanges thermiques .
montrer l'influence de la puissance de chauffe du thermoplongeur sur ces échanges thermiques .
Enfin l'influence de la surface d'échange mais je pense que c'est inutile car c'est trivial que si la surface d'échange augmente , meilleur est le rendement .

J'ai des difficultés à mettre mes idées au clair .
Dois-je étudier comment augmenter le rendement pendant la phase de chauffe ? Ou en régime permanent ?
Je pense qu'il faut utiliser le régime permanent car pour appliquer la loi de fourrier , Newton ... il faut être en RP

Merci
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[Boumako]

Bonjour

Quel est ton niveau ? Connais tu la notion de coefficient d'échange global ? L'efficacité de l'échangeur est directement lié à cette valeur, et celle ci dépend principalement de la vitesse de passage du liquide dans la section du tube.

[inviteaddbc62b]

salut , mon niveau 2nd année de prépa PT . je viens de taper la notion de coef d'échange globale sur google , je ne connais pas . Cependant ce projet nous invite à utiliser des formules que l'on a pas vu mais cela nécessite un minimum d'explication (analyse dimensionnelle ...) .
J'ai aussi entendu parler du NUT qui est utilisé en thermo .
Pour ce qui est du débit , je me doute que si j'augmente le débit meilleur sera mon transfert thermique mais cependant j'augmenter ma consommation électrique de la pompe .
Cependant en thermique j'ai quelques notion :
resistance thermique
loi de fourier
loi de newton
bilan de puissance
1er principe thermo
2nd principe thermo

[Boumako]

Je vais te donner quelques pistes à explorer.
La vitesse du liquide permet de calculer le nombre de Newton, qui va caractériser le coefficient d'échange. En fonction du liquide on va calculer un nombre de Prandtl, qui lui détermine la façon dont le liquide échange en fonction de ses caractéristiques physiques.
Ces 2 valeurs permettent de calculer le nombre de Nusselt, qui est fonction de corrélations au cas par cas (ici on va donc utiliser la corrélation pour un tube, en régime turbulent ou laminaire, selon la valeur du Newton).

Tu peux avoir plus d'infos ici :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Reynolds
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Prandtl
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_...gime_turbulent

Sur un tableur comme Excel tu peux alors calculer la valeur du coefficient d'échange en jouant sur différents paramètres, afin de trouver un optimum de fonctionnement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteaddbc62b]

Merci pour ta réponse , ça va m'aider .
Cependant j'ai une question , il existe un lien entre l’efficacité de mon système (qui est en quelque sorte une pompe à chaleur ) et le coefficient d'échange que tu viens de citer ?
Je pensais à calculer mon efficacité qui est égale au rapport =utile/coût = -Qc/W
En vrai je n'ai fais qu'énoncer la formule qu'on rencontre dans le sujet d'étude d'une pompe à chaleur .
Sauf qu'il n'y a pas d'évaporateur , ni de compresseur . Seulement un thermoplongeur et une pompe .
Ma question c'est : Es-ce intéressant de faire une étude thermodynamique de l’efficacité max que je peux récolter face à celle de Carnot ? Avec Qc=Cv*dT au niveau de ma source froide (l'aquarium) et W= le travail fourni par la résistance chauffante et la pompe .
Bref es-ce utile ?

[Boumako]

Bonjour

Cependant j'ai une question , il existe un lien entre l’efficacité de mon système (qui est en quelque sorte une pompe à chaleur ) et le coefficient d'échange que tu viens de citer ?

Oui tout à fait, ce coefficient d'échange, avec la surface d'échange, va déterminer la performance de l'échangeur. Un bon échangeur sera capable de céder le flux qu'on lui demande avec peu de différence de température entre ses 2 cotés, un mauvais échangeur nécessitera de l'eau beaucoup plus chaude pour arriver à faire le boulot.

Je pensais à calculer mon efficacité qui est égale au rapport =utile/coût = -Qc/W
En vrai je n'ai fais qu'énoncer la formule qu'on rencontre dans le sujet d'étude d'une pompe à chaleur .
Sauf qu'il n'y a pas d'évaporateur , ni de compresseur . Seulement un thermoplongeur et une pompe .

En fait dans un monde parfait le rendement devrait être de 100%. En réalité les 2 bacs vont dissiper de la chaleur à l'environnement, et cette chaleur sera d'autant plus grande que la température de l'eau sera élevée.
L’aquarium se trouvera à la consigne de température, donc on ne peut rien faire pour la chaleur qu'il dissipe (à moins de l'isoler).
Le bac qui produit l'eau chaude par contre va dissiper plus de chaleur si l'eau est plus chaude. On a donc intérêt à utiliser un échangeur performant pour améliorer le rendement de l'opération.

Ma question c'est : Es-ce intéressant de faire une étude thermodynamique de l’efficacité max que je peux récolter face à celle de Carnot ?

Attention, le rendement de Carnot ne s'applique qu'à un certain type de machine, utilisant des cycles de compression/détente, ici ce n’est pas le cas.

[inviteaddbc62b]

Salut , aujourd'hui je viens de finir ma maquette elle se compose donc :
*d'un aquarium percé au travers duquel passe un serpentin en cuivre . ( Aquarium calorifugé des 4 côtés latéraux )
*d'un petit bac en plastique au travers duquel il y a la pompe à débit réglable d'aquarium et la résistance chauffante ( à tension variable j'ai une alim permettant de faire varier la tension ) ( Bac calorigé des 4 côtés latéraux et au sol également )

J'ai ainsi créer un système fermé , j'ai tout soudé , calorifugé les parois latérales avec une sorte de polystyrène pour l'eau et j'ai comblé les failles avec du silicium .
Ainsi ma maquette marche parfaitement , zero fuites , la pompe assure le débit et le bac chauffe belle et bien .

Désormais il faut attaquer les calculs .
Je désire donc trouver le rendement qui va optimiser au maximum mon installation ( le but étant de maintenir une eau constamment à 30°C )
Ainsi je veux étudier d'une part , L'INFLUENCE DU DEBIT
je veux étudier d'autre part , L'INFLUENCE DU TAUX DE CHAUFFE DE LA RESISTANCE CHAUFFANTE
enfin une derniere petite partie sur L'INFLUENCE DES ELEMENTS CALORIFUGES , exemple mes tubes de cuivres de transition entre les deux bacs sont recouvers d'un isolant , qu'es-ce que ça fait si je les enlève ? Qu'es-ce que ça fait si j'enlève toutes les protections latérales ? Bref montrer leurs rôles .

Ensuite voilà pour l'influence de la résistance je sais qu'avec la capacité calorifique de l'eau et un voltmètre je peux en déduire l'énergie consommée pour chauffer 2L d'eau par exemple , mais comment relié cela à un rendement ?
J'ai une sorte de voltmètre à soudure qui me permet de relever la temperature en surface , comment puis-je relier cela à un rendement ?
Je sais qu'à partir de la temperature en surface du cuivre , avec les lois de fourier , j'en déduis la température du liquide à l'intérieur .

Ensuite au niveau de nombre de Reynolt : il me permet de définir à quel type de régime j'ai affaire ( turbulent , laminaire ...) interêt ?
Ensuite le nombre de Prandt , encore un nombre adimensionnel , j'ai regardé la formule qui est composé que de constante , à moins ce que la viscosité dynamique de mon fluide ( l'eau ) ne soit pas une constante ? Enfin le nombre de Prandt je le relis à quoi ?

Après vous m'avez parlé du coefficient de transfert thermique GLOBAL , chose que je n'ai pas vu , j'ai regardé la formule .
Si j'ai bien compris la corrélation avec le nombre de nusselt , en gros :
Le nombre de nusselt c'est le rendement de mon installation et dans la formule du nombre de nusselt , intervient le fameux "h" coefficient de transfert thermique . Ainsi j'en déduis un nombre adimensionnel significatif de mon rendement . C'est ça ?

Désolé je sais que mes idées sont en vrac , mais c'est pour éclaircir tous ça .
Merci

[Boumako]

La corrélation permettant de calculer h permet de connaitre la différence de température qu'il faut pour céder une certaine puissance à travers l'échangeur. Il s'agit en fait d'un équilibre entre plusieurs données.
Je te conseillerai de faire une feuille Excel où tu pourra modifier ce que tu veux, afin d'y voir plus clair.

[inviteaddbc62b]

J'ai parlé avec mon prof aujourd'hui il m'a conseillé de faire le rendement tout bête : n=utile/coût=Q(aquarium)/Q(chauffeur ) .
Dejà pour le nombre de nusselt , j'utilise mon systême en régime permanent c'est-à-dire que j'éleve avec un thermoplongeur mon aquarium initialement à 30°C . Ensuite je mets en route le système pompe+mini thermoplongeur . Ainsi la formule du coefficent d'échange h faite intervenir un delta"t" , un écart de temps , or je suis en régime permanent c'est la que je ne comprends pas trop la formule . Elle est plus adaptée pour les régimes transitoires non ?
Bref si je fais Nusselt je le fais en dernière partie je pense .
D'abord je vais tracer un graphe du rendement de mon système en fonction du débit de la pompe . En parallèle différente courbe associée à differentes puissances de chauffe .
En faite c'est ce que je voulais faire au début mais en réflechissant c'est impossible car à chaque fois je m'éloigne de mes 30°C fixés , comment calculé un rendement tout en conservant l'eau de l'aquarium à 30°C . C'est ça mon soucis .
D'abord j'utilise les notions qui me sont familières puis à la fin Nusselt .
Mais bon même les notions familières je rame pour savoir ce que je veux montrer ... Oui je veux montrer l'influence du débit et du taux de chauffe mais dans le cadre de mes 30°C fixés , hors c'est pas possible je pense .

[inviteaddbc62b]

En fait pour mettre en situation mon projet , j'ai 1 m^3 d'eau à maintenir à 30°C (pour les poissons , on s'en fou ) , cependant dans les musées aquatiques la partie supérieur de l'aquarium n'est pas fermée ainsi , il y a des fuites avec l'air par le dessus . ( je garde l'hypothèse comme quoi le verre des côtés latéraux est calorifugé pour l'instant ) . Enfin il faut que je calcul combien de puissance de chauffe il me faut pour compenser les pertes par convection avec l'air + maintenir l'eau à 30°C + pertes vapeur d'eau dans le bac chauffeur . Enfin j'y adapte ma resistance chauffante , et je fais varier le débit pour avoir le meilleur rendement possible .
Deuxieme partie je prends désormais en compte les pertes par le verre ( côtés latéraux ) , je recalcul le rendement .
Après voilà avec ce point de vue je n'ai pas trop l'option de faire varier le débit et la température pour montrer leurs influences . J'ai juste répondu à un cahier des charges qui m'imposait 30°C pour le bassin , puis oui j'ai vite jouer sur le débit pour optimiser le rendement ...

[inviteaddbc62b]

en fait mon problème c'est que j'ai regardé la formule du coeff d'échange globale du wikipedia :


h - coefficient de transfert thermique, en watt par mètre carré-kelvin (W/(m2.K));
ΔQ - énergie transférée, J = W.s = kg.m2/s2 ;
A - surface d'échange, en mètre carré (m2) ;
\Delta T - différence de température de part et d'autre de la surface d'échange, K ou °C ;
\Delta t - intervalle de temps, s.

Bref dans cette formule le delta(Q) , je sais pas ce que ça représente
delta(t) pourquoi du temps ??

Bref pour calculer h je peux pas passer par ma formule de newton ?
avec phi ma puissance thermique calculée .
Après j'ai compris que vous vouliez me faire calculer h pour ainsi avec cette formule en déduire Tf-Ts et ainsi en déduire Tsolide car mon Tfluide doit être de 30°C et de là j'en déduis le Tfluide à l'intérieur de mon tube que doit fournir mon bac chauffant .
Enfin bref le h pour le calculer , c'est là que ça bloque .
Merci

[inviteaddbc62b]

Je viens de remarquer que les deux formules sont identiques : car
et en renvoyant tous à gauche ça me fait : or c'est la même qu'en dessous . Tous ça pour dire que je comprends encore deux fois moins comment calculé h . En relisant ce que vous avez dis , je dois faire un tableau excel avec les différentes valeurs de h en fonction du débit et du taux de chauffe . Mais pour moi h c'est une constante attribué à l'échangeur . J 'attends juste un peu plus d'explications de votre part , en vous remerciant d'avance

[inviteaddbc62b]

J'ai compris vous voulez qu'à partir du nombre de nusselt => j'en déduis h , mais le nombre de nusselt je pensais le calculé avec la formule comment le calculé donc ?
J'ai regardé sur internet il y a des abaques , qui dépendant du type de régime ( laminaire , turbulent ) , d'où l'interêt du nombre de REYNOLDS
Et de même le nombre de prandt intervient dans la formule , je comprends mieux

[inviteaddbc62b]

ReBonjour encore une fois ,
Oublions toutes les bêtises que j'ai marqué avant ( c'est-à-dire les 3 derniers messages ) . J'ai fais beaucoup de recherches dans mes cours , sur internet et j'ai compris où vous vouliez en venir .
Je récapitule :
-> à partir d'un débit de ma pompe (L/min) j'en déduis un nombre de Reynolds .
Ensuite quant au nombre de Prandtl lui c'est une constante attribuée à l'eau qui ne varie jamais .
De Reynolds j'en déduis le type de régime , à partir du type de régime et de ma section circulaire et de plus je suis en convection forcée , j'en déduis la formule empirique de Nusselt d'après les abaques .
Je le calcul => ensuite je prends l'autre formule de Nusselt ( la simple ) et j'en déduis mon coeff d'échange global "h" qui n'est pas une constante contrairement à ce que j'avais dis avant .
Ensuite avec la formule de Newton :
Je fais une étude thermique de mon bassin pour évaluer les pertes par convection avec l'air et à travers le verre puis la puissance qu'il faut pour maintenir à 30°C mon eau . => j'en déduis mon \phi
De la j'en déduis (connaissant h et S) mon Tf-Ts . Or je sais que je veux mon Tf=30°C . J'ai Ts => de la j'en déduis Tf à l'intérieur de ma canalisation (loi de fourier ) . Je remonte jusqu'au bac chauffant et je cherche la puissance de chauffe capable d'imposer le Ts calculé precedemment .
Enfin je calcul le rendement . C'est la que je plante :
Dois-je calculer le rendement thermodynamique ?
Ok j'ai un rendement mais je n'ai pas tenu compte de l'énergie consommé par mon installation non ?
Dois-je calculer le rendement en puissance ?
Ou dois-je prendre les deux ?
Donc cette question au niveau du choix des rendements

Enfin ma derniere question c'est pour le calcul du .
Je sais que pour chauffer 1L d'eau de 1°C par exemple : xx1°C (environ 4000 J ) ensuite pour avoir une puissance il faut diviser par . Bon dans mon cas, c'est maintenir une eau à 30°C . Mais c'est la notion de temps qui me bloque , j'étudie un régime permanent . Dois-je imposer un temps de mesure de l'ordre de 15min à mon experience ?

Merci de m'éclairer
Désolé pour les n messages inutiles . ça me fait réfléchir d'écrire