Chauffage, isolation, ventilation, VMC, refroidissement...Calculs thermosiphon: puissance, pente, diamètre et débit

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Christophe
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Calculs thermosiphon: puissance, pente, diamètre et débit

Message non lupar Christophe » 10/02/09, 13:07

Voici une méthode de calcul d'un thermosiphon.

C'est un exemple partique sur le solaire mais la méthode est applicable également pour d'autres appareils de chauffage. Le probleme est que pour "bien" marcher, un thermosiphon nécessite un retour assez froid donc avec un risque d'etre en dessous du point de rosée dans la chaudière...

Chauffe eau solaire en thermosiphon.

Le chauffe eau solaire en thermosiphon est un système efficace et sans coût de fonctionnement car il n'a ni besoin de circulateur ni besoin de régulation. De ce fait, son amortissement sera plus rapide. Seule contrainte à ce système, les capteurs doivent être à un niveau inférieur au ballon d'ECS. Le thermosiphon est bien connu, son fonctionnement résulte de la différence de densité du fluide caloporteur due à la différence de température entre les capteurs et le ballon d'ECS. La différence de hauteur entre le haut des capteurs et le bas du ballon devra être de 0,5 m minimum pour garantir une bonne mise en place de la pression (ou charge) hydro-motrice.

Cette pression hydro-motrice est égale à :
P = H x (Mfr - Mfd)
P = pression hydro-motrice disponible en mmCE
H = différence de hauteur en mètre entre l'axe des capteurs et l'axe du ballon d'ECS
Mfr = masse du fluide à la température la plus basse (retour capteurs)
Mfd = masse du fluide à la température la plus haute (départ capteurs)


Pour l'eau claire, voir le tableau à la page: variation de la masse volumique de l'eau liquide en fonction de la température

Pour l'eau glycolée la masse est fonction du pourcentage d'antigel dans l'eau. A voir avec le fournisseur.

Mais comme le calcul s'effectue avec un écart de masse, les valeurs de l'eau claire peuvent être utilisées sans grand risque d'erreur.

Valeurs pour le dimensionnement.

L'installation est généralement calculée pour un débit de 0,7 litre/minute par m² de capteur soit environ 42 l/h.m².

Ajout de Christophe: pour une chaudière il serait donc logique de prendre 0,7 L/min pour 1kW de puissance chaudière.

La chute de température départ/retour est en moyenne de 20°C.
Les températures de fonctionnement peuvent être prises à 80°C pour le départ et donc avec une chute de 20°C à 60°C pour le retour, mais afin de permettre une marche à des températures plus faibles (en inter saison par exemple) elles pourront être prisent de façon plus défavorable pour le calcul de la pression hydro-motrice, à 65/45°C.

Le rapport J/Z (voir plus bas, calcul pertes de charge) sera fonction de la configuration de l'installation et pour une première approche être de 35/65% (65% pour Z pour tenir compte des pertes de charge des capteurs et du ballon si elles ne sont pas connues).

Recommandations

- Afin de limiter au maximum les pertes de charge, ennemies premières du système en thermosiphon, les capteurs doivent être de préférence en montage Tickelmann (voir dessin ci-dessous) plutôt qu'en montage en S.
Image
- Aucun contre pente ne doit être faite car elle a pour effet de couper le thermosiphon.
- La pente doit toujours être ascendante vers le ballon, éviter les poses à niveau.
- La purge de l'air sera faite par le vase d'expansion ouvert situé au dessus du ballon d'ECS (voir croquis pour exemple).
- Le ballon d'ECS doit être de préférence à double enveloppe plutôt qu'à serpentin ceci toujours pour limiter les pertes de charge.
- Les conduites doivent être isolées.
- Les coudes doivent être de préférence effectués à l'aide d'une cintreuse pour avoir un rayon le plus grand possible.

Exemple de calcul

Image

- Longueur de la conduite de départ capteurs/ballon, 6,5 m
- Longueur de la conduite de retour ballon/capteurs, 7 m
- différence de hauteur axe capteurs/axe ballon, 5,80 m
- Rapport J/Z, 35/65%
- Surface des capteurs, 5m²
- Débit, 42 l/h/m²
- Température de départ capteurs, 65°C
- Température de retour capteurs avec une chute de 20°C, 45°C
- Masse volumique de l'eau à 65°C, 980,48 kg/m3
- Masse volumique de l'eau à 45°C, 990,16 kg/m3

Pression hydro-motrice disponible en mmCE :
P = 5,8 x (990,16 - 980,48) = 56,14

Valeur de J en mmCE/m :
J = 56,14 x 0,35 / (7 + 6,5) = 1,45

Le diamètre des conduites doit être choisi par approximations successives de façon à ne pas excéder 1,45 mmCE/m. Pour faciliter les calculs on peut utiliser le classeur Excel "Pertes de charge".

Donc, en entrant les paramètres suivants : débit = 42 x 5 = 210 l/h
conduites en cuivre. Température de départ du fluide, 65°C. DeltaT, 20°C et en procédant par approximation, on trouve le diamètre de 26x28 qui donne la valeur immédiatement inférieure à 1,45 de 0,84 mmCE/m.

Avec cette valeur, le débit réel sera forcément supérieur à celui calculé, donc, en augmentant le débit par approximation, on trouve le débit de 288 l/h, ce qui nous donne un débit de 57,6 l/h.m².

Plus la température départ capteurs sera élevée, plus la différence de masse volumique le sera aussi ce qui augmentera la pression hydro-motrice et donc le débit. Le volume d'échange thermique au niveau du ballon étant proportionnel à l'écart moyen des températures entre la température moyenne du fluide caloporteur et la température moyenne de l'eau chaude sanitaire, ce volume d'échange augmentera avec le débit car l'augmentation de ce dernier va induire une chute de température plus faible et donc augmenter l'écart moyen.


A propos du fichier excel de calcul des pertes de charge: https://www.econologie.info/share/partag ... KPz3dP.xls

Le classeur Excel "Pertes de charge J-Z.xls" permets de calculer les pertes de charge d'un circuit et ceci par tronçon. Pour effectuer les calculs d'une installation complète, commencer par le circuit le plus défavorisé, en général le radiateur le plus éloigné de la chaudière ou la boucle de plancher chauffant la plus éloignée de la chaudière et la plus longue et ceci afin de connaître la perte de charge de référence et voir si sa valeur ne dépasse pas celle du circulateur si il est déjà défini (livré avec la chaudière) pour pouvoir apporter des corrections. Un tronçon est une partie du circuit comme par exemple, la partie qui va de la chaudière aux tés du 1er radiateur ou des premiers collecteurs, des tés du 1er radiateur ou collecteurs aux tés du suivant, etc...

Pour la facilité d'utilisation du classeur, commencer pas la chaudière (1ère ligne) en venant vers le dernier radiateur ou boucle du plancher chauffant (le ou la plus défavorisé(e)) pour définir la perte de charge de référence, il suffit ensuite de supprimer les tronçons du bout pour bifurquer vers les autres afin de ne pas avoir à rentrer à nouveau les valeurs en partant de la chaudière et ceci pour définir les diamètres des autres circuits.

Le classeur comporte des colonnes cachées et ceci afin de réduire le champ de travail. Il est possible d'afficher ces colonnes en cliquant sur la petite croix située au dessus des colonnes.


Source et fichier excel
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dap35
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Message non lupar dap35 » 04/05/11, 13:31

Bonjour

J'ai 2 questions sur ce mode de fonctionnement pour un chauffe eau solaire :
La nuit, le thermosiphon ne va t-il pas fonctionner dans l'autre sens : réchauffer les panneaux ? Comment l'éviter ? Clapet anti retour ?
Risque de gel dans les panneaux ? Antigel ?
Est-ce que ça serait envisageable en Bretagne par exemple ?

Merci

Dap
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Gaston
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Message non lupar Gaston » 04/05/11, 13:43

dap35 a écrit :La nuit, le thermosiphon ne va t-il pas fonctionner dans l'autre sens : réchauffer les panneaux ?
Non, l'eau la plus chaude étant dans le ballon à ce moment là, elle reste en haut.

dap35 a écrit :Risque de gel dans les panneaux ? Antigel ?
Oui, l'antigel est nécessaire (en fonction du climat).

dap35 a écrit :Est-ce que ça serait envisageable en Bretagne par exemple ?
Techniquement, sans aucun doute.
Il faut quand même tenir compte de l'ensoleillement...
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Mido66
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Message non lupar Mido66 » 06/02/13, 11:21

Bonjour,

est-il nécessaire d'ajouter un vase expansion puisque le ballon a un groupe de sécurité qui s'activera en cas de surpression.
Je vie au Maroc à Agadir 360 jours de soleil et température moyenne 20° en hiver et 32 en été,
J'ai fabriqué les capteurs à barreaux en horizontale avec un ballon de 300 litres le problème du 300 litres c'est qu'il n'existe pas en Horizontal, le ballon fait environ 1.80m de hauteur, l'inclinaison à 45° des capteur donne une hauteur de 80cm plus les 1.80m du ballon et les 0.50m de différence pour faire fonctionner le thermosiphon me donne 3.10m de hauteur mon ballon ressemble ainsi à une fusée sur le départ mais je ne peut faire autrement.
Le circuit est en circuit ouvert, il chauffe directement l'eau du ballon.
j'ai modifier le ballon à chauffage électrique en remplaçant la résistance par l'entrée au chaude et le retour au froide, cette entrée se situe sur le côté à environ 35cm en partant du bas du ballon, pour envoyer l'eau chaude au ballon je suis obligé de mettre un tuyau qui part de l'entrée citée plus haut et remonter à l'intérieur du ballon pour atteindre le haut de celui ci.
Le départ eau chaude et le retour eau froide sont en 22mm

avez vous un commentaire à faire ou de conseils?
Merci
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