Base de Donn Es Pour Bilan Thermique Pl v2.Terodt 2

5/24/2018 Base de Donn Es Pour Bilan Thermique Pl v2.Terodt 2

1/17

Petite tude pour valuer les performancesd'une chaudire en modlisme

1 le bilan thermodynamique2 des donnes

Un calcul complet sur un exemple est propos dans undocument spar

Document tabli avec la complicit de Patrick LECLEREavec des emprunts faits :. Lonard Suykens : ses cahiers peuvent tre tlchargs sur le site grce son aimable autorisation. Pierre Dubarry de Lassalle : Vaporismes aux Editions Picador

et des donnes recueillies sur ce site :http://www.thermexcel.com/french/tables/vap_eau.htm Wikipedia, ...

1 le bilan thermodynami!ueFaire de faon rigoureuse le bilan thermod!nami"ue d#un s!st$me n#est pas une minceaffaire% &e propos ici est plus modeste' il s#agit de se doter d#un outil suffisammentrigoureux et facile mettre en oeuvre pour aider la mise au point d#un gnrateur devapeur (chaudi$re) pour des activits de modlisme%

"nralits

Pour faire un bilan il faut en tout premier lieu dfinir' sans aucune ambigu*t' le s!st$me etses limites% &es dispositifs et les protocoles d#essais diff$rent selon "ue le bilan porte surun s!st$me complet' par exemple gnrateur de vapeur' vanne de laminage' moteur ousimplement l#vaporateur principal

Le systme dont nous allons faire le bilan est la chaudire #chan$eur principal etscheur%surchauffeur& avec son brleur.

En second lieu il faut caractriser avec prcision l#tat initial et l#tat final

(tat initial : ensemble plein d'eau en tat d'!uilibre ) la temprature ambiante del'atelier avec le brleur teint.

(tat final : arr*t du brleur+ arr*t de l'e,traction vapeur

En troisime lieuil faut savoir reprer si le ou les fluides ont des changement d#tat +fusion' cristallisation' condensation'%%%

Le seul chan$ement d'tat !ue nous aurons ce sera la vaporisation de l'eau dansl'chan$eur principal du $nrateur de vapeur #corps de chaudire&

!nfin il faut dcrire les changes du s!st$me observ avec l#univers extrieur "ui serduira %%% l#atelier% &a chaudi$re n#tant pas prvue pour tre alimente en continu il n#! apas de dbit masse d#eau froide prendre en compte%
http://www.thermexcel.com/french/tables/vap_eau.htmhttp://www.thermexcel.com/french/tables/vap_eau.htmhttp://www.thermexcel.com/french/tables/vap_eau.htm


2/17

La chaudire chan$e avec l'univers e,trieur #atelier&

en entre du $a- et de l'air

en sortie de la vapeur d'eau + des fumes chaudes et de la chaleur #pertesthermi!ues&

,e "ui nous importe est de conna-tre la capacit de vaporisation de la chaudi$re (et par voie decons"uence son efficacit mo!enne sur la dure de l#essai) et surtout' surtout%%% savoir si lesmodifications apportes au fur et mesure du dveloppement du pro.et vont dans le bon sens%

/l n#! a pas de travail fourni' cela nous arrange bien% &e bilan est donc .uste un bilan thermi"ue% 0nnotera "une "uantit de chaleur% 1ur la dure de l#essai on aura le bilan suivant

"_br#leur $ "_pertes thermi%ues & "_fumes & "_rchauff_eau & "_rchauff_mtal &"_vaporisation

'es pertes thermi%ues totales sont,

"_pertes $ "_pertes thermi%ues & "_fumes ( elles sont difficiles calculer ou mesurer.

'a %uantit de chaleur rcupre, est plus facile estimer et mesurer

"_rcupre $ "_rchauff_ eau & "_rchauff_mtal & "_vaporisation,

otre bilan sera finalement /0pertes /0brleur % /0rcupre

(,emple d'valuation directe du rendement moyen

&a mthode est simple elle consiste faire le bilan thermi"ue de ce "ui est rentr et de ce "ui estsorti de la chaudi$re%

23 0n p$se le rservoir de ga4 au dbut et la fin de l#essai% 5iffrence des peses 6 masse de

ga4 consomme%73 0n p$se la chaudi$re vide et s$che' cela donne le poids de mtal%

83 0n p$se la chaudi$re pleine au dbut et la fin de l#essai% &a diffrence des peses donne lamasse d#eau vaporise%

Pendant la dure de l#essai il va falloir s#efforcer de maintenir les param$tres influents les plusconstants possible%

9emprature et pression de l#atelier % &a dure de l#essai est suffisamment courte pour considrerces param$tres constants% 5e mme la vitesse de l#air "ui peut .ouer sur les pertes thermi"ues estconstante et tr$s faible (courants de convection naturelle)% 5onc pas de souci de ce c:t;l

dbit;masse de ga4 + si le dispositif comprend un dtendeur;rgulateur de bonne "ualit il n#! a pas

non plus de souci se faire

dbit;masse vapeur' temprature vapeur' pression vapeur + c#est peut;tre l "u#il ! aura "uel"uesennuis% Par ailleurs si les sondes de tempratures sont au.ourd#hui prcises' on ne peut pas en direautant des manom$tres de "ualit courante% 0n fera du mieux "u#on pourra% 0n admettra "ue lavapeur extraite est aux conditions de saturation pour certains essais' mais pour ceux utilisant unsurchauffeur le probl$me reste rsoudre%

5ure de l#essai (s) asse de ga4 consomme ( g ) ?? g

Pouvoir calorifi"ue (>@3Ag) ?='B? >.3Ag

Energie in.ecte dans la chaudi$re pendantl#essai (@)

(?='B?C2======)C(??32===) 6 7D


3/17

rendement de combustion

Pression mo!enne (bars absolus) ? bars

9emprature mo!enne (,) 7== ,

,haleur totale de vaporisation' lire dans unetable (A@3Ag)% Elle prend en compte lerchauffage de l#eau partir de condtions

normalises%

778D A@3Ag

>asse d#eau vaporise (Ag) ='


4/17

Exemple !

4. )our ?tre @ propre A il conviendrait de convertir toutes les tempratures en de+rs 9.4omme les formules n=utilisent %ue des diffrences de temprature on peut s=en dispenser, maiscela peut ?tre une +rave source d=erreur pour des problmes plus compli%us.

Nsultat en A@

2 mCp eau(TfinalTinitial) 1oit ='GC 8'2GC(2?=;2=) 8


5/17

Pression absolue bars 3 6 11

T vap sat C C 133,5 158,8 184,1

Rchauffage Liquide kJk! 561,5 670,5 781,2

Chaleur de Vaporisation kJk! 216,! 2085,6 1""",5

Chaleur totale # fournir kJk! 272!," 2756,1 2780,7

D=accord, d=accord, mais tout le monde sait %u=il faut plus de puissance de chauffa+e si onau+mente la pression. 4ela est la cons%uence, pour une chaudire donne, de l=au+mentation detemprature %ui par ricochet au+mente les pertes thermi%ues.


6/17

"imensionnement d#un br$leur

&e dimensionnement d#un brRleur se fait en trois phases

2% ,alcul de la puissance thori"ue nette de vaporisation

7% ,alcul de la puissance de chauffe

B% ,hoix du combustible et de l#in.ecteur

23 Balcul de la puissance thori!ue d'vaporation.

5erri$re le mot barbare d#enthalpie se cache une notion simple + c#est la "uantit totale de chaleur"ue peut changer' recevoir (H) ou donner (;)' un corps ou un s!st$me lors d#une transformationthermod!nami"ue (vaporation' compression'%%%)

utilisation de l#enthalpie est tr$s simple et sans grand ris"ue d#erreur partir du moment oK onsait caractriser l#tat initial et l#tat final du corps ou du s!st$me% /l ! a des tables et des logiciels"ui permettent d#obtenir l#enthalpie de l#eau ou de sa vapeur% (en fait de la plupart des corps)

0n va supposer "ue l#on veut vaporer en une heure ='G= Ag d#eau li"uide 2=, (7GB'2? M) pouren faire de la vapeur lg$rement surchauffe 7==, (8DB'2? M) sous ? bars%

Enthalpie en A@3Ag >asse volume Ag3mB

Etat initial + Eau 2= , 87 2===

Etat final + vapeur 7==,?bars

7G?< 7'B?

Silan + Etat final;Etat initial 7G28

Silan pour ='G Ag 7G28C='G677?2 A@7

Puissance thori"ue nette 77?23B


7/17

&e choix de l#in.ecteur est problmati"ue car les in.ecteurs commerciaux sont donns pour des

pressions donnes' par exemple 7G mbars pour les brRleurs butane% 1ouvent enmodlisme cause des dimensions restreintes on fait des brRleurs tr$s compacts et onaugmente la pression d#admission parfois B== ou 8== mbars% /l n#! a pas d#autremthode "ue de procder par approximation successives' avec un brRleur d#essai enpartant d#un petit a.utage (trou de l#in.ecteur) et en l#agrandissant au fur et mesure%

2% des donnes

Gnits de mesure :

HempratureL'unit physi!ue pour les tempratures est le de$r Ielvin + not I.Jttention donc dans les formules bien voir s'il s'a$it de KB #Belsius& ou de I.La relation est simple : 23C+16 I 9 KB.!xemple :2F,30 9$ 72F,30G-F,30$ 301 >4

0>4$70&-F,30$ 5,30 9

Pression

L'unit du systme international est le Pascal #Pa&. n utilise souvent le m$a Pascal #Mpa&plus prati!ue.1 MPa 1 999 999 Pa 19 bars ou encore 1 bars 9+1 Mpa2 bars6 2'=2D7 Agf3cmZ

(ner$ieL'unit d'ner$ie est le 7oule #7& N il n'y a pas de diffrence d'unit entre une ner$ie pourproduire un travail ou pour produire de la chaleurk71999 7 N M7 1999 k7 1 999 999 7Pour vous viter de vous embrouiller avec les units n#appartenant pas au 1!st$me /nternationalet orthographies de mani$re parfois fantaisiste voici "uel"ues prcisions +

le ATCh est une "uantit d#nergie% ,#est la bonne orthographe% Par exemple un radiateur

de 2===T "ui fonctionne en continu pendant 2 heure va consommer 2 ATh c#est dire + 2=== T CB


8/17

P uissancePuissance et nergie, les confusions /ont &on train sur ce suet-

Gne puissance est une ner$ie dpense ou rcupre dans un temps donn.

L'unit de puissance est le atts N 1 1 7Es N 1k1999 1 k7Es0n admettraB"ue' d#un point de vue thori"ue' vaporiser G==g d#eau en ?mn ou en 2 heureconsommera la mme "uantit d#nergie% Par contre la puissance d#change mettre en .eu n#estpas du tout la mme%ttention aux units + temps en secondes%

En ? mn 778DC2===3(


9/17

Loi de "uperray pour la 'apeur dans des conditions courantes

)=( t

100)!

t est la te%prature en (C et) la pression en &ars- tilise la calculette indos en

for%at scientifique a/ec la fonction 0 - 9 est le rsultat de t1""et/aut !

39e%ple : t15"C t1""1,5 )=1,5!=5,062 bars

La for%ule peut aussi s4crire

t=100)0,25=1005,0620,25=1!","" C

)ormule de la masse 'olumique de 'apeur

=)/2+0,1enk!/m3

B 0 bars la formule donne , k+/mF la valeur prcise est ,- k+/mF

Hableau : chaleur spcifi!ue'a chaleur spcifi%ue est aussi appele capacit thermi%ue massi%ue . Ll s=a+it implicitement pourles fluides peu compressibles aux pressions courantes de la capacit massi%ue pressionconstante 4p. '=unit est en k6/7k+89. )our les corps compressibles comme les +aH c=est plus

compli%u et cela dpasse le cadre de ce mmento.

4=est la %uantit de chaleur ncessaire pour accroNtre la temprature d= 3> 4elsius ou 3 de+r 9d=une unit de masse de 3 k+.

Borps Bapacit massi!ue thermi!ue ) pressionconstante #Cp&Gnit M7E#k$QI&

,haleur spcifi"ue du cuivre ='B

,haleur spcifi"ue du laiton ='BG

,haleur spcifi"ue de l#acier ='88,haleur spcifi"ue de l#aluminium ='

,haleur spcifi"ue de l#eau li!uide 8'2G

,haleur spcifi"ue de l#thanol (alcoolth!li"ue)

7'8 butane : 8?'< >@3Ag

poids du butane + 2litre 6 ='?D Ag (7'D Ag3mB 7?, sous 2 bar)

9emprature d#bullition (gasification) sous la pression athmosphri"ue;='?, ( considre4 "u#en dessous de ?, vous n#aure4 aucun dbit de ga4)

Pression de vapeur (pression l#intrieur de la bouteille)7'2 bar 7= ,7'G bar B= ,8' bar ?=

Propane :P,168'G >@3AgP,/68< >@3Ag

,ontrairement une ide tr$s rpandue le propane et le butane ont le mme pouvoir calorifi"ue9emprature d#bullition (gasification) sous la pression athmosphri"ue + ; 87X2,

Pression de vapeur (pression l#intrieur de la bouteille)G'BB bar 7= ,2='G bar B= ,2D'=G bar ?= ,

RR attention au, rservoirsRR on apporte beaucoup de soin ) l'preuve hydrauli!ue de lachaudire en oubliant !u'un rservoir de propane fonctionne en r$ime nominal au doublede la pression de la chaudire.

Rsum des caractristiques du butane et du propanehttp+33\\\%semincA%be3fr3eigenschappen%html
http://www.seminck.be/fr/eigenschappen.htmlhttp://www.seminck.be/fr/eigenschappen.html


11/17

Point d#bulittion sous entendu la pression athmosphri"ue &a tension de vapeur correspond la pression dans la bouteille% &es limites d#inflammabilit sont la plage des pourcentages de ga4 en mlange "ui

permettent une inflammation du ga4% 0n remar"uera "ue la plage de rglage n#est pas silarge "ue cela %

2 litre de butane li"uide lib$re 7B litres de ga4 (2? , ; 2 bar) 2 litre de propane li"uide lib$re B22 litres de ga4 (2? , ; 2 bar)


12/17

*ariation de pression dans un rser'oir de +a,

bulittion et3ou la dtente d#un ga4 comprim absorbent de la chaleur% &a temprature de lamasse de ga4 s#abaisse et la pression l#intrieur de la bouteille aussi%Par ailleurs la temprature mo!enne ambiante fait varier la pression du ga4 dans le rservoir% ,esont les raisons pour les"uelles on utilise un dtendeur;rgulateur%

5ans le cas du butane ou du propane l#nergie de rchauffage et de vaporisation est prise dansl#environnement (air ambiant) ce "ui expli"ue "ue les bouteilles de propane "ui sont utilises enfonderie amateur givrent%

0n voit donc "ue' sans rchauffa$e le dbit ma,imal e,tractible d'un petit rservoir va *trelimit.

Par temprature froide' le butane est mis hors .eu cause de sa faible pression de vaporisation%&a dure d#extraction du ga4 est aussi un param$tre car la masse se refroidit peu peu comme onle voit sur le graphi"ue ci;dessus%


13/17

"PL

&e terme UP& ou Ua4 de Ptrole &i"ufis est utilis pour dsigner des mlangesd#h!drocarbures essentiellement composs de butane ou de propane% &e UP& carburant' destinaux vhicules automobiles ou marins' est un mlange de butane et de propane "ui est ga4euxdans des conditions ordinaires de temprature%

[n mlange UP& automobile doit respecter les spcifications suivantes + moins de ?= de propane et plus de 2 de butane

pression de vapeur comprise entre D'? et 22'? bars ?= ,

&a pression d#un mlange UP& est comprise entre celle du butane et celle du propane%

(ur'e ikipe&ia Masse volumique

;g?*L 50+ *ropane


14/17

(thanol

la temprature ordinaire l#acool th!li"ue est sous forme li"uide% [n li"uide ne brRle pas' ce sontles vapeurs "ui s#enflamment% thanol bout D, sous la pression athmosphri"ue% /l faut doncrchauffer l#alcool .us"u# D, puis le vaporiser avant "u#il puisse brRler% 9out ceci consomme del#nergie et il faut en tenir compte dans un bilan%

Masse volumi!ue thanol ) 29KB : 3O5 k$EmC soit O99 $ElBp 2849 7Ek$ soit 2+84 k7Ek$Bhaleur de vaporisation O66 k7Ek$PB>2OO46 k7Ek$ soit 7G'G


15/17

Hableau B : rleurs $a- atmosphri!uesdbit calori!ue des trous d'un brleur

Eelon Lonard -U-.E/-, les br#leurs trous ou fentes acceptent des dbits calori%ues de 1,2 kC/mmP 23, 5 kC/mmP.Eoit :. a : 0,53 W8h en char+e minimum. b: 5,- W8h en char+e mo*enne. c : 33, W8h en char+e maximum

!t, partir du diamtre des trous, il est possible de composer ce tableau 7rsultats arrondis:7Bu niveau du br#leur, l ou se forme la flamme, la vitesse 7donc la pression par rapport l=ambiante doit ?tre trs faible, sinon la flamme dcolle et se souffle

Diamtre du troumm

Surface d'1 trou enmm

Bhar$e mini#a&

Bhar$e moyenne#b&

Bhar$e ma,i#c&

1 ='D ? D

1+1 ='? ?'? G'7 22

1+2 2'2B D 2= 2B

1+8 2'?B 2B'? 2G

1+4 7 22 2D 7B1+O 7'?8 2? 77 7

2 B'28 2G 7D B

Documents

Base de Donn Es Pour Bilan Thermique Pl v2.Terodt 2