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Dimensionnement des changeurs de chaleur 2013

Ecole Suprieure de Technologie de Fes Projet de fin dtude 1

Ddicace

Nous ddions ce modeste travail :

Nos familles,

Nos chers amis,

Nos professeurs,

Et toute personne qui nous a aids



Remerciements Contrairement ce que pourrait laisser penser la prsence de nos noms seuls sur la couverture, ce travail est avant tout le reflet dun effort collectif. Nous prcisons ceci pour que chacun de ceux qui ont contribu de prs ou de loin ce travail trouvent ici une juste reconnaissance.

En premier lieu, je tiens remercier Allah notre dieu qui nous a aid accomplir ce travail.

Nous tiendrons exprimer nos plus vifs remerciements Mr Youssef Mourad et Mr Abdelmajid Jamil qui ont t des encadrants attentifs et disponibles malgr leurs charges nombreuses, leurs comptences, leur clairvoyance, leur ponctualit et leur dynamisme nous ont beaucoup appris.

Nous sommes extrmement reconnaissants Mr Ahmad Lahsini pour laide qui nous a fournis et pour ces avis toujours clairs, ainsi que pour son attitude trs confiante envers nous. Nous tiendrons le remercier, tant pour sa contribution ltude thorique, que pour son soutien tout au long de ce projet.



Introduction gnrale

Le Projet de fin dtude constitue un lment primordial dans la formation de chaque tudiant, parce quil lui permet dintgrer les connaissances scientifiques et techniques et les mettre en uvre en situation concrte.

Ce prsent rapport se base dune part sur les types et classifications des changeurs de chaleur, et dautre part sur la phase de dimensionnement thermique dun changeur tubulaire en U et dun ballon appoint lectrique



Sommaire : Chapitre 1 : Types et classification des changeurs ..........................................6

I Introduction ..................................................................................................................... 7

II Les Types des changeurs de chaleur .............................................................................8

II 1 Les changeurs tubulaires .......................................................................................................8

II-1-2 changeur coaxial ...............................................................................................................................8

II-1-1 changeur monotube ..........................................................................................................................8

II 2 - changeur multitubulaire .........................................................................................................9

II-2-1 changeur tubes spars ..................................................................................................................9

II-2-2 changeur tubes rapprochs ............................................................................................................9

II-2-3 changeur tubes ailettes ..................................................................................................................9

II 3 - Echangeur tube et calendre .................................................................................................11

II-3-1 Echangeur de chaleur tte flottante ...............................................................................................11

II-3-2 Echangeur plaque tubulaires fixes ................................................................................................12

II-3-3 Echangeur tubes en U ...................................................................................................................12

I 4 - Echangeur plaque .................................................................................................................13

I-4-1 changeurs surface primaire ..........................................................................................................13

I-4-2 changeurs plaques et joints ..........................................................................................................13

I-4-3 changeurs plaques soudes ou brases .........................................................................................14

I 5 - changeurs avec un fluide changeant de phase ......................................................................18

I-5-2 Condenseurs tubulaires ....................................................................................................................18

I-5-1 vaporateurs tubulaires ....................................................................................................................20



III-Classification des changeurs .........................................................................................22

III-1 Classement technologique .........................................................................................................21

III-2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur ..................................................................21

III-3 Classement suivant le procd de transfert de chaleur ..............................................................21

III-4 Classement fonctionnel ..............................................................................................................21

III-5 Classement suivant la nature du matriau de la paroi dchange ..............................................22

Chapitre 2 : Dimensionnement dun changeur de chaleur ...............................23

Partie 1 : changeur tubulaire en U (TP) ..........................................................24

I - 1 - Principe de fonctionnement ...................................................................................................24

I - 2 -Travaux effectus ...................................................................................................................24

I-2-1- Comparaison des deux modes de fonctionnement ........................................................................24

Partie 2 : Dimensionnement dun ballon appoint lectrique ..........................28

I- Introduction ....................................................................................................28

II- Prparation en accumulation pure ....................................................................................28

II-1-Les tapes de dimensionnement ...............................................................................................30

III- Etude pratique dun ballon de rfrence .........................................................................34

III-1- Les Dimensions du ballon tudi ..........................................................................................34

III-2- Lexprience sans isolation ...................................................................................................35

III-3 lexprience avec isolation .....................................................................................................40

III-4 Conclusion sur le rle de lisolation .......................................................................................43



Chapitre 1 :

Types et classification des

changeurs



I Introduction : Dans les socits industrielles, lchangeur de chaleur est un lment essentiel de toute politique de matrise

de lnergie. Une grande part (90 %) de lnergie thermique utilise dans les procds industriels transite au

moins une fois par un changeur de chaleur, aussi bien dans les procds eux-mmes que dans les systmes

de rcupration de lnergie thermique de ces procds. On les utilise principalement dans les secteurs de

lindustrie (chimie, ptrochimie, sidrurgie, agroalimentaire, production dnergie, etc.), du transport

(automobile, aronautique), mais aussi dans le secteur rsidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.).

Le choix dun changeur de chaleur, pour une application donne, dpend de nombreux paramtres :

domaine de temprature et de pression des fluides, proprits physiques et agressivit de ces fluides,

maintenance et encombrement. Il est vident que le fait de disposer dun changeur bien adapt, bien

dimensionn, bien ralis et bien utilis permet un gain de rendement et dnergie des procds.



II Les Types des changeurs de chaleur :

II 1 Les changeurs tubulaires :

Pour des raisons historiques et conomiques, les changeurs utilisant les tubes comme constituant principal

de la paroi dchange sont les plus rpandus. On peut distinguer trois catgories suivant le nombre de tubes

et leur arrangement, toujours raliss pour avoir la meilleure efficacit possible pour une utilisation donne .

II-1-1 changeur monotube : Dans lequel le tube est plac lintrieur dun rservoir et a gnralement la forme dun serpentin comme

montr la figure au dessous.

Figure I.1: changeur monotube en serpentin

II-1-2 changeur coaxial :

Dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrs ; en gnral, le fluide chaud ou le fluide haute pression

scoule dans le tube intrieur comme montr la figure au dessous.

Figure I.2: changeur coaxial



II 2 - changeur multitubulaire : Existant sous quatre formes :

II-2-1 changeur tubes spars : lintrieur dun tube de diamtre suffisant (de lordre de 100 mm) se trouvent placs plusieurs tubes de

petit diamtre (8 20 mm) maintenus carts par des entretoises. Lchangeur peut tre soit rectiligne, soit

enroul.

Figure I.3: changeur tube spar

II-2-2 changeur tubes rapprochs : Pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extrieur au tube, on place un ruban

enroul en spirale autour de certains dentre eux. Les tubes sappuient les uns sur les autres par

lintermdiaire des rubans.

Figure I.4: changeur tube rapproch

II-2-3 changeur tubes ailettes : Ces tubes permettent damliorer le coefficient dchange thermique, diffrents types dailettes sont

toutefois prsents si contre.



Figure I.5: changeur tube ailette

Ailettes transversales :

Ailettes continues Ailettes indpendant

Ailettes annulaire Ailettes spirale



Ailettes fils prforms Ailettes poinonnes

Ailettes en brosse

Ailettes longitudinal :

Figure I.6: Autre diffrent type dailettes

II 3 - Echangeur tube et calendre :

II-3-1 Echangeur de chaleur tte flottante : L'une des plaques tubulaires est fixe, bloque entre les brides de la calandre et de la bote de distribution. La

seconde plaque, d'un diamtre infrieur, porte la bote de retour et peut coulisser librement l'intrieur du

capot qui ferme la calandre.



Figure I.7: changeur tte flottante

II-3-2 Echangeur plaque tubulaires fixes

Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent tre directement soudes sur la calandre.

Figure I.8 changeur plaque tubulaire fixe

II-3-3 Echangeur tubes en U : Le faisceau est constitu de tubes couds en forme d'pingle, il n'est donc port que par une seule plaque

tubulaire. Ce systme permet la libre dilatation du faisceau. En revanche, le nettoyage des tubes est

difficilement ralisable autrement que par voie chimique.



Figure I.9: changeur tube en U

I 4 - Echangeur plaque : I-4-1 changeurs surface primaire : Les changeurs surface primaire sont constitus de plaques corrugues, nervures ou picotes. Le dessin

du profil de plaques peut tre assez vari mais il a toujours un double rle dintensification du transfert de

chaleur et de tenue la pression par multiplication des points de contact.

Figure I.10: Diffrentes gomtries de plaques dchangeurs surface primaire

I-4-2 changeurs plaques et joints : La surface dchange est alors compose de plaques mtalliques, quipes de joints, serres les unes contre

les autres laide de tirants entre deux flasques, lun fixe, lautre mobile.



Figure I.11: changeur plaque et joint

I-4-3 changeurs plaques soudes ou brases : Ils sont utiliss en rcupration de chaleur, dans les domaines de la chimie, de la ptrochimie, de lagro-

alimentaire, etc. Parmi leur diffrent type.

changeur platulaire

Il est constitu dun assemblage de tles planes embouties. Il existe diffrents types dappareils : les uns sont

composs de chambres planes munies de tubulateurs, les autres constitus de picots emboutis et souds.



Figure I.12: changeur platulaire et schma canaux

changeur Compabloc : Il est constitu dun assemblage de plaques corrugues identiques celles utilises dans les changeurs

plaques et joints ; la circulation des fluides est courants croiss.

Figure I.13: changeur Compabloc et lempilement des plaques

changeur Packinox

Cest un changeur plaques soudes de grandes dimensions. Le faisceau est constitu dun empilement de

plaques formes par explosion et insres dans une calandre pouvant atteindre une longueur de plus de 10 m.

Cet changeur peut fonctionner jusqu des tempratures de lordre de 600 C et des pressions de 50 bar.



Figure I.14: changeur Packinox

changeur lamellaire Cest une variante de lchangeur de type tubes et calandre, dans lequel le faisceau est constitu de tubes

aplatis ou lamelles. Ces lamelles sont ralises laide de deux plaques formes et soudes ensemble et

constituant un canal dans lequel circule lun des fluides. Chaque lamelle peut contenir un lment interne

(turbulateur) qui permet dobtenir une meilleure tenue la pression et un meilleur change thermique.

Figure I.15: changeur lamellaire

changeur spirale

Il est constitu de deux rubans de tle gaufre, enrouls et maintenus parallles. La distance entre les

surfaces dchange des deux canaux est maintenue constante par des taquets souds sur les plaques. La



circulation des fluides est du type monocanal courants parallles ou croiss. Cet changeur peut

fonctionner jusqu des pressions de lordre de 25 bar et des tempratures de lordre de 300 C [1]. La figure

suivante reprsente lchangeur spirale.

Figure I.16: changeur spirale changeur bras

Cest une variante de lchangeur plaques et joints conventionnels, car sa surface dchange est constitue

dune srie de plaques mtalliques cannelures inclines.

Figure I.17 changeur bras



I-5 changeurs avec un fluide changeant de phase : Lun des deux fluides peut subir un changement de phase lintrieur de lchangeur. Cest le cas des

vaporateurs si le fluide froid passe de ltat liquide ltat gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se

condense de ltat de vapeur ltat liquide.

I-5-1 vaporateurs tubulaires : Ces appareils sont gnralement utiliss pour concentrer une solution, refroidir un fluide, ou produire de la

vapeur. Le fluide chauffant peut tre une phase liquide qui transmet sa chaleur sensible ou de la vapeur

cdant sa chaleur latente de condensation sur la paroi.

Il existe deux types dvaporateurs, qui sont :

vaporateurs lintrieur de tubes

On distingue les vaporateurs tubes verticaux et ceux tubes horizontaux.

a) vaporations tubes verticaux

Ces appareils sont utiliss pour concentrer une solution, fournir de la vapeur ncessaire au rchauffement

dun fluide distiller ou comme vaporateurs cristallisateurs. Les tubes sont gnralement chauffs

extrieurement par de la vapeur qui se condense

Figue I.18: vaporateur tubes cours et panier



Figure I.19: vaporateur longs tubes verticaux et grimpage

Figure I.20: vaporateur tube tombant

b) vaporateurs tubes horizontaux

Ces appareils sont gnralement utiliss comme refroidisseurs de liquide (eau, saumure, eau glycole, etc.).

Le liquide vaporer qui circule dans les tubes est un fluide frigorigne, alors que le fluide refroidir

circule lextrieur des tubes.

vaporation lextrieur de tubes Ces vaporateurs utilisent gnralement des tubes horizontaux. On distingue deux types : les vaporateurs

noys (ou submergs) et les vaporateurs arross (ou aspergs)



Figure I.21: vaporateur noys et arross

I-5-2 Condenseurs tubulaires : Le but de ces changeurs est de condenser une vapeur laide dun fluide rfrigrant. Ils concernent des

secteurs dactivit trs varis comme la production dnergie (centrale thermique), les industries chimiques

(colonnes distillation), les industries du gnie climatique, de lagro-alimentaire, du schage, etc.

Figure I.22: Condensation extrieur aux tubes

Figure I.23: Condensation intrieur aux tubes



III-Classification des changeurs Il existe plusieurs critres de classement des diffrents types dchangeurs. On cite les plus importants.

III-1 Classement technologique : Les principaux types dchangeurs rencontrs sont les suivants :

tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires.

plaques : surface primaire ou surface secondaire.

autres types : contact direct, caloducs ou lit fluidis.

III-2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur : Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont coupls dans la plupart

des applications (chambre de combustion, rcupration sur les fumes, etc.) ; il y a souvent un mode de transfert prdominant. Pour tout changeur avec transfert de chaleur travers une paroi, la conduction

intervient.

III-3 Classement suivant le procd de transfert de

chaleur : Suivant quil y a ou non stockage de chaleur, on dfinit un fonctionnement en rcuprateur ou en

rgnrateur de chaleur :

transfert sans stockage, donc en rcuprateur, avec 2 ou n passages et un coulement en gnral

continu.

transfert avec stockage, donc en rgnrateur, avec un seul passage et un coulement intermittent, la

matrice de stockage tant statique ou dynamique.

III-4 Classement fonctionnel : Le passage des fluides dans lchangeur peut seffectuer avec ou sans changement de phase, suivant le cas,

on dit que lon a un coulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les diffrents cas suivants :



les deux fluides ont un coulement monophasique.

un seul fluide un coulement avec changement de phase, cas des vaporateurs ou des condenseurs.

les deux fluides ont un coulement avec changement de phase, cas des vapo-condenseurs.

III-5 Classement suivant la nature du matriau de la paroi

dchange : On retiendra deux types de paroi :

Les changeurs mtalliques en acier, cuivre, aluminium ou matriaux spciaux : superalliages,

mtaux ou alliages rfractaires ;

Les changeurs non mtalliques en plastique, cramique, graphite, verre, etc.



Chapitre 2 :

Dimensionnement dun

changeur de chaleur



Partie 1 : changeur tubulaire en U (TP)

Notre choix sest port sur un changeur faisceau tubulaire simple constitu de deux cylindres

concentriques sous forme de U invers fixer sur un support mtallique.

I 1 Principe de fonctionnement :

Le principe de fonctionnement de lchangeur choisit est comme suit :

Leau chaude circule dans le tube central .ce dernier est muni de trois thermomtre pour la mesure de

temprature de leau chaude, et dun dbitmtre pour mesurer le dbit

Leau froide circule dans lespace annulaire entre le tube intrieur et lautre extrieur, et de mme que le

tube central, cette espace est munie de trois thermomtres et dun dbitmtre

Leau chaude circule, laide dune pompe centrifuge, dans un parcoure ferm, le chauffage est assurer par

des rsistances thermique placer a lintrieur du rservoir de stockage.

Leau froide provient du rseau de distribution de leau potable, le long de son parcours leau froide

rencontre des vannes qui permettent de passer du mode changeur co-courant celui contre-courant.

I 2 Travaux effectus :

I-2-1- Comparaison des deux modes de fonctionnement :

Fonctionnement co-courant :

Pour obtenir ce mode on doit mettre les robinets dans les positions donnes pour le mode co-courant.

On rgle les valeurs de dbits :

- Dbit deau chaude DC = 800 cm3/min

- Dbit deau froide DF = 2000 cm3/min

Leau chaude entre avec la temprature T=40C



On va utiliser les relations suivantes dans les calcules suivants :

On peut faire les calcule suivant :

Qa (kj/s) Qe (kj/s) Q (kj/s) (%) Tm1(C) U(kw/m2C)

0,416 0,441 0,025 94,33 12,71 0,48

0,416 0,604 0,118 68,8 15,29 0,39

0,694 0,767 0,073 90,48 17,84 0,58

0,833 0,929 0,096 89,66 20,38 0,61

0,972 1,095 0,123 88,76 22,90 0,63

En (C) TC1 TCM TC2 TF1 TFM TF2

1 40 35 32 21 22 24

2 45 38 34 21 23 25

3 50 42 36 21 24 26

4 55 44 38 21 24 27

5 60 46 40 21 25 28



Fonctionnement contre courant : On fait la mme tude que dans le cas du fonctionnement co-courant et on remplie le tableau suivant :

TC1 TCM TC2 TF1 TFM TF2

40 38 34 24 30 35,5

On fait les mme calcule que la premire partie et on obtient le tableau suivant :

Qa Qe Q Tm1 U

0,725 0, 82 0,095 1,195 1,56

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 1,5

Tem

pr

atu

re

longueur d'changeur

Diagramme de tempratureT(C)=F(L)

Tc

Tf



conclusion :

Le fonctionnement contre-courant est plus efficace que celle a Co-courant, mais il y a des cas o il est

obligatoire dutiliser le co-courant (Changement dtat).



Partie 2 : Dimensionnement dun ballon appoint

lectrique

I-Introduction :

Dans ce chapitre, on va tudier lchauffement de leau dans un ballon appoint lectrique.

Le ballon appoint lectrique est un rservoir en eau de forme cylindrique, dont une rsistance est plonge

dans leau chauffer, le ballon est donc un changeur de chaleur entre la rsistance lectrique chauffante et

leau.

II- Prparation en accumulation pure :

On peut classifier les diffrents modes de production deau chaude

Sanitaire en :

production instantane.

production semi-instantane ou en semi-accumulation.

Figure 3. 1: Production semi-instantane



Figure 3. 2 Production en semi-accumulation

production en accumulation.

Figure 3. 3 Production en accumulation

sans aucun stockage : il sagit de la prparation instantane,

avec un stockage limit, infrieur certains appels, mais une puissance permettant de prparer le

complment ncessaire pendant la dure de lappel, il sagit de la prparation semi-instantane.

avec un volume de stockage correspondant au volume prlev lors dune priode de pointe et une

puissance suffisante la remise en temprature du stock entre deux pointes : il sagit de la prparation en

semi-accumulation.

avec un stockage gal au volume puis journalier, la puissance correspondant la puissance de rchauffage

en 6 8 heures (heures creuses, nuit) : il sagit de la prparation en accumulation.

on va sintresser seulement au mode de production en accumulation.

Prparation en accumulation pure :



Dans ce cas, lentiret des besoins journaliers est stocke. Le stock est reconstitu durant 6 7 heures (en

gnral durant la nuit).

II-1-Les tapes de dimensionnement :

Etape 1 : Energie puise durant la journe

Il sagit de dterminer par une des mthodes suivantes le volume deau chaude maximum (quivalent 60)

ncessaire durant la journe la plus charge de lanne.

Mthode 1 : Les profils types

On peut se rfrer des statistiques de consommation tablies sur des btiments identiques. Lutilisation de

ces profils types sapplique particulirement bien aux immeubles appartements.

On appliquera souvent cette mthode pour les btiments neufs.

Mthode 2 : Le recensement des points de puisage :

On peut rpertorier les points de puisage, leur dbit nominal et leur priode dutilisation daprs les

statistiques disponibles. Ce mode de recensement est raliser avec extrmement de prudence. En effet, le

risque de sur-dimensionner largement le systme est important si on ntablit pas un scnario cohrent du

mode dutilisation simultane des diffrents points de puisage.

Mthode 3 : Le comptage des consommations relles :

La mthode idale est de mesurer les consommations relles en eau chaude. Cette mthode sera la plus

adapte dans le cadre de rnovations dans le secteur tertiaire. Si le mode dutilisation du btiment reste

identique, une campagne de mesures au moyen de compteurs deau soit sur lalimentation des diffrents

points de puisage ou appareils consommateurs, soit sur lalimentation en eau froide de lappareil de

production existant met labri de tout sur ou sous-dimensionnement du systme. Linvestissement consenti

lors de ltude est alors rapidement rentabilis.

Il est vident que la temprature de leau puise varie en fonction du type de puisage. Aussi, pour faciliter

les calculs et permettre laddition de volumes puiss des tempratures diffrentes, tous les volumes



quelconques Vx une temprature quelconque Tx seront convertis en des volumes deau quivalents 60C

par lexpression suivante:

Dans cette expression, 10 reprsente la temprature de leau froide.

Dans la pratique, ne connaissant pas exactement la temprature de leau puise, on considrera :

pour les cuisines :

pour les sanitaires :

si les volumes puiss sont mesurs par compteur sur lalimentation en eau froide de lappareil de

production : temprature de leau chaude dans le ballon ou la sortie de lchangeur si le ballon est

inexistant.

La connaissance du volume de leau puis nous aide par la suite dterminer lnergie puise (qui sera

gnre par une rsistance lectrique).

- Lnergie puise via leau chaude est donne par la formule :

Avec:

Etape 2 : Volume de stockage et puissance de lchangeur

Le volume du ballon de stockage est donn en litres par :

Avec :



(Kwh. /C.V)

Le choix de

Le dimensionnement dun ballon ventuel de stockage de leau chaude dpend directement de la

temprature de consigne choisie au pralable pour leau chaude de ce ballon (appele dans la suite Tec).

La temprature de stockage de leau sera choisie en fonction de la temprature souhaite au niveau des

points de soutirage.

Dans les cas courant dutilisation deau chaude sanitaire, il est conseill de choisir une temprature de

stockage de 55 60C.

Des tempratures suprieures 60C prsentent les inconvnients suivants:

forte augmentation de lentartrage,

plus grande usure de la robinetterie,

danger de brlures,

augmentation des pertes par stockage.

Le choix de :

La quantit dnergie rellement exploitable et contenue dans le stock deau chaude dpend entre autre de la

conception du stockage et du principe de distribution.

Moyennant une construction adquate de lappareil (ballon vertical muni de dflecteurs, chicanes, avec

retour de boucle de distribution en aval du ballon : des garanties sont demander aux constructeurs), la

stratification dans le ballon est optimale et lnergie exploitable du ballon est maximum. Dans ce cas, on

considrera quau moment o le ballon ne fournira plus le confort adquat aux utilisateurs, la temprature de

son eau sera proche de la temprature de leau froide, savoir 10C. Remarquons que dans cette optique, il

est prfrable de raccorder les ballons multiples en srie plutt quen parallle. De mme la prsence dun

mitigeur thermostatique en aval de ballon est favorable pour un meilleure stratification des tempratures

dans le ballon.

Dans le cas contraire (ballon mlange partiel ou intgral : ballon horizontal, retour de la boucle dans le

ballon), la temprature minimum de confort du ballon ne peut descendre trs loin en dessous de la

temprature minimum de distribution de leau (par exemple, la temprature de distribution est de 45C, pour

assurer 40C tous les points de puisage). Le volume du ballon ncessaire pour offrir le mme confort sera

alors nettement suprieur.



Ainsi, le volume dun ballon avec bonne stratification peut tre infrieur au volume dun ballon o il y a

mlange intgral entre leau froide et leau chaude de plus de 50% pour un mme confort fourni

lutilisateur! Ceci est illustr dans le graphe 1. o deux ballons, un avec bonne stratification, lautre avec un

mlange important, sont vids en parallle, leau chaude tant remplace par de leau 10 et aucune source

de chaleur ne rchauffant le stock.

Dans les calculs, pour tenir compte du degr de stratification des ballons, on considrera une temprature

minimum possible du stock de 10 et on y associera un coefficient defficacit a. Dans la plupart des cas

courants, celui-ci prendra une valeur de 0,8 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 95% du

volume rel du ballon est utilisable pour la temprature voulue. Si on se trouve dans le cas dun ballon avec

mlange important, a peut descendre jusqu 0.45.

La puissance de lchangeur, donne en kW par la formule suivante permet de reconstituer le stock deau

chaude en 6 ou 8 heures.

Avec :

Pertes dans le rseau de distribution. Dans le cas dune boucle de distribution.

il sagit de la puissance de maintien en temprature de celle-ci. En annexe 5 est repris un tableau permettant

dvaluer ces pertes.

Coefficient de majoration pour tenir compte des pertes de stockage durant la priode de reconstitution

du stock.

Graph 3. 1 Temprature de l'eau fournie par deux ballons en fonction du temps de puisage.



III- Etude pratique dun ballon de rfrence : Dans cette partie on va contrler les diffrents facteurs dcrits dans la partie prcdente que a soit la

temprature de consigne, le volume, lnergie gnre et principalement lavancement de chauffage, et celui

de refroidissement pour enfin conclure la diffrence entre la prsence de lisolation et son absence.

III-1- Les Dimensions du ballon tudi :

Le ballon de rfrence est base de Fer (Fe), de forme Cylindrique dun volume de 12 l et de dimensions

indique dans la figure ci-contre.

Figure 3. 5 Photo du ballon non isol

Figure 3. 4 Dimensions du ballon de rfrence



Leau stocke est chauffe grce une rsistance lectrique, dune puissance de 1.5 KWh, et de 30 cm de

longueur.

Figure 3. 6 Photo rsistance lectrique de chauffe

III-2- Lexprience sans isolation :

On plonge la rsistance dans le ballon de rfrence aprs sa mise en marche, on mesure dans un intervalle

de temps la variation de temprature, les valeurs sont indiques dans le tableau 3.1.

Avancement du temps

(min)

Temps

(heures)

Mesure 1 (c) Mesure 2 (c) Mesure 3 (c) Mesure 4 (c) Moyenne (c)

0

-

17.5 17.5 17.5 17.5 17.5

5

0.08

28.2 28.8 29.7 30 29.175

10

0.16

37.6 39.2 39.7 40.1 39.15

15

0.25

45 45.6 46.8 47 46.1

20

0.33

52.1 53.2 53.8 54.5 53.4

25

0.42

60.8 61.4 62.5 63.5 62.05

30

0.50

69.9 70.1 70.8 71.3 70.525

35

0.58

68.4 69.4 69.5 69.8 69.275

40

0.66

66.7 66.6 67.5 66.7 66.875

45

0.75

66.1 65.8 65.9 66 65.95

50

0.83

63.6 63.7 63.8 64.4 63.875

55

0.91

61.8 61.7 61.5 61.6 61.65

60

1.00

58.9 59.4 59.6 59.7 59.4

70

1.16

53.5 53.8 54.9 55 54.3



80

1.32

54 54.8 54.9 55.1 54.7

90

1.48

52.4 52.9 53.3 53.4 53

100

1.64

56.1 57.5 57.6 58.3 57.375

110

1.80

70.4 70.8 71.2 71 70.85

120

1.96

63.8 64.4 65 65.5 64.675

130

2.12

62.2 61.9 61.8 61.9 61.95

140

2.28

58.2 58.1 58.4 58.7 58.35

150

2.44

56.1 56.5 57.2 57.3 56.775

160

2.60

53.4 54 54.3 54.8 54.125

170

2.76

52 52.4 52.8 53.1 52.575

180

2.92

48.7 49.5 49.6 50.3 49.525

190

3.08

65.3 66.9 65.9 66.7 66.2

200

3.24

65 65.5 67.3 67.2 66.25

210

3.40

61.8 62.2 62.4 62.7 62.275

220

3.56

58.6 58.9 59.1 59.7 59.075

230

3.72

55.5 56.3 56.5 56.5 56.2

240

3.88

54.5 55.1 55.2 55.2 55

250

4.04

52.1 52.2 52 52.2 52.125

260

4.20

50.1 50.4 50.6 50.7 50.45

270

4.36

61.9 62.5 64.5 64.8 63.425

280

4.52

67.5 67.6 67.7 67.8 67.65

290

4.68

63.5 63.3 63.5 63.6 63.475

300

5.00

60.1 60.4 60.4 60.4 60.325

Tableau 3. 1 Mesures de temprature (sans isolation)

La courbe dcrivant la variation de temprature en fonction du temps :

Remarques :



Le ballon a une temprature de consigne (ainsi de scurit) de 70C, la rsistance se met en arrt chaque fois

Graph 3. 2 Temprature = f (temps)

Leau atteint cette temprature, lexprience montre quavec un volume de 12 l et une puissance de 1500 Wh

la dure de chauffe se limite une demi heure (30 min environ).

Cette observation pratique justifie la relation en thermodynamique de lenthalpie ou lnergie ncessaire

pour lever la temprature de leau dune temprature initiale qui est ici 17.5C une temprature finale de

70C.

= 52.5C

Application numrique :

Lnergie dissipe durant une heure par la rsistance est de 1.5 KWh, donc 0.75 KWh pendant 30 min, ce

qui est justifi thoriquement.



La Vitesse de lchauffement :

Le tableau suivant prsente la moyenne des mesures de temprature durant lchauffement de leau en

fonction du temps :

Avancement du temps (min)

Temps (h) 1er chauffement 2me chauffement 3me chauffement Moyenne

0 0.00 17.45 17.5 17.4 17.5

5 0.08 27.125 31 31 29.7

10 0.17 36.7 37.55 37.6 37.3

15 0.25 44.05 43.625 44 43.9

20 0.33 51.825 51.825 49.9 51.2

25 0.42 60.25 61.95 62.025 61.4

30 0.50 70.2 70.1 70 70.1

Tableau 3. 2 Mesures de temprature de l'chauffement

La courbe dcrivant la variation de temprature en fonction du temps :

Graph 3. 3 Temprature= f(temps) durant lchauffement

Calcul de la vitesse de lchauffement :

La vitesse de refroidissement :

Le tableau suivant prsente la moyenne des mesures enregistres durant la phase de refroidissement :



Temps (min)

Temps (heure)

1er refroidissement

2me refroidissement

3me refroidissement

Moyenne

0 0.0 69.9 70.1 70.8 70.27

10 0.2 65.95 64.675 66.1 65.58

20 0.3 63.875 61.95 62.275 62.70

30 0.5 61.65 58.35 59.075 59.69

40 0.7 59.4 56.775 56.2 57.46

50 0.8 54.3 54.125 55 54.48

60 1.0 54.7 52.575 52.125 53.13

70 1.2 53 49.525 50.45 50.99

Chaque colonne indique lavancement de temprature pendant une exprience, la colonne moyenne contient

les moyens de mesures entre ces expriences.

Courbe de refroidissement sans isolation du ballon :

Graph 3. 4 : refroidissement de l'eau sans isolation

La courbe trace est remarquablement semblable une pente.

Calcul de la vitesse de refroidissement :



III-3 lexprience avec isolation :

Il sagit de mettre une couverture superficielle ( base dun matriau de trs faible conductivit thermique)

sur le ballon afin de rduire le flux de la chaleur dgage par la surface, pour obtenir un meilleur stockage de

leau chaude.

Nature de lisolant :

Cest de la laine de verre, parfaitement utilise dans lindustrie de faible conductivit thermique

et donc une grande rsistance au flux thermique, et dune paisseur de 15 mm

Figure 3. 7 Photo "laine de verre"

Figure 3. 8 Ballon isol couche de la laine de verre couvert par de l'alluminium



Tableau des mesures :

Avancement

du temps

(min)

Temps (heures) Mesure 1

(c)

Mesure 2

(c)

Mesure

3 (c)

Mesure

4 (c)

Moyenne (c)

0 - 17.5 17.4 17.5 17.4 17.45

5 0.08 26.1 27.5 27.1 27.8 27.125

10 0.16 35.2 36.9 36.8 37.9 36.7

15 0.25 44 43.2 43.8 45.2 44.05

20 0.33 51.5 51.1 51.8 52.9 51.825

25 0.42 59.8 60.6 60.1 60.5 60.25

30 0.50 67.4 67.1 67.9 70.5 68.225

35 0.58 68.3 68.2 67.9 68 68.1

40 0.66 65.4 65.6 65.8 65.8 65.65

45 0.75 64.8 64.7 65 65.3 64.95

50 0.83 63.7 63.6 63.2 63.2 63.425

55 0.91 62.4 62.5 62.4 62.6 62.475

60 1.00 62.1 62.2 62.3 62.6 62.3

70 1.16 58.5 59.1 59.1 59.2 58.975

80 1.32 56 56.1 55.8 56 55.975

90 1.48 54.2 54.3 55 55.2 54.675

100 1.64 52.5 52.8 52.7 53 52.75

110 1.80 51.6 51.7 51.6 51.5 51.6

120 1.96 49.5 49.7 49.7 49.9 49.7

130 2.12 47.9 48.1 48.2 48.7 48.225

140 2.28 60.9 62.7 62.2 62 61.95

150 2.44 68.1 68.8 68.7 69.2 68.7

160 2.60 65.3 65.88 65.1 66.1 65.595

170 2.76 62.6 62.8 62.9 63.3 62.9

180 2.92 62.3 62.8 62.8 63 62.725

190 3.08 62.5 62.7 62.1 62.9 62.55

200 3.24 62.2 62.5 62.1 63.1 62.475

210 3.40 62.2 62.2 62.4 62.6 62.35

220 3.56 59.5 59.1 59.1 59.2 59.225

230 3.72 57.1 57.2 56 56.3 56.65

240 3.88 54.2 54.3 55.3 55.2 54.75

250 4.04 52.3 53 52.7 53.1 52.775

260 4.20 51.8 51.7 51.6 52 51.775

270 4.36 50.4 50.7 50.7 50.9 50.675

280 4.52 49.7 49.8 50 50.1 49.9

290 4.68 61.1 62.6 62.3 62.1 62.025

300 5.00 68.5 68.2 68.3 69.2 68.55

Tableau 3. 3 Mesures de tempratures avec isolation



Courbe dcrivant lavancement de temprature en fonction du temps :

Vitesse de lchauffement :

La vitesse de lchauffement et la mme que celle ralise sans isolation car leau chauffe ncessite la

mme quantit de lnergie, et donc lisolation ne change rien. (Voir Graph 3.3).

Vitesse de refroidissement :

Le tableau ci-dessous indique les mesures de temprature dans la phase de lrefroidissement:

Avancement du temps (min)

Temps (h) 1er refroidissement 2me refroidissement Moyenne

0 0.0 65.65 65.595 65.62

10 0.2 64.95 62.9 63.93

20 0.3 63.425 62.725 63.08

30 0.5 62.475 62.55 62.51

40 0.7 62.3 62.475 62.39

50 0.8 58.975 62.35 60.66

60 1.0 55.975 59.225 57.60

70 1.2 54.675 56.65 55.66

80 1.3 52.75 54.75 53.75

90 1.5 51.6 52.775 52.19

100 1.7 49.7 51.775 50.74

110 1.8 48.225 50.675 49.45

Graph 3. 5 Temprature = f (temps) avec isolation



Lexprience est faite la premire fois, la colonne 1er refroidissement lindique clairement, la 2me indique

galement le deuxime essai. La colonne moyenne prsente la moyenne arithmtique entre les deux

essais.

La courbe reprsentative Temprature = fonction du temps, phase de refroidissement sans isolation :

Graph 3. 6 courbe temprature = f (temps)

Calcul de vitesse de refroidissement de leau du ballon isol:

III-4 Conclusion sur le rle de lisolation :

On remarque clairement la diffrence entre la vitesse de refroidissement dans le Ballon isol et la

vitesse du ballon non isol.

Donc:

Le ballon isol perd chaque minute 0.15 C, alors que le ballon non isol perd 0.28C, savoir deux fois ce

que perd un ballon isol.

Conclusion :

Lisolation est trs bnfique pour le stockage de leau chaude sanitaire chauffe dans le ballon de rfrence.



Conclusion gnrale Le projet de fin dtude a t pour nous une exprience

enrichissante car il nous a permit de mettre en pratique nos comptences acquises, de se confronter des situations

professionnelles proches de celles de la vie active.

Dans ce projet nous avons pu prciser les types et les classes des changeurs de chaleur, faire le dimensionnement dun changeur

tubulaire en U et dun ballon appoint lectrique ainsi que le rle de lisolation.

En fin, nous souhaitons que ce travail qui a demand beaucoup de temps et beaucoup deffort apportera galement un plus au

tudiants techniciens concerns.

Documents

145285969-PFE-Dimmensionnement-des-echangeur-de-chaleur-docx.pdf