Sommaire
Principe
Le caloduc est un superconducteur de chaleur fonctionnant en cycle fermé selon le principe évaporation – condensation, avec retour de liquide soit par gravité, soit par capillarité.
Son intérêt provient de la valeur très élevée de la chaleur latente de changement de phase comparée à la chaleur spécifique.
Il est constitué d’une enceinte hermétiquement scellée, contenant un fluide frigorigène. Le choix du fluide caloporteur dépend de la température de travail prévue.
Caloduc.
Le flux d’air chaud circulant dans la partie inférieure du tube cède sa chaleur au fluide liquide et le porte à ébullition. La vapeur ainsi formée monte dans la partie haute du tube où elle se trouve en contact avec l’air froid. Le gaz va se condenser sur la paroi interne du tube en cédant sa chaleur de condensation, puis va retomber naturellement par gravité dans la partie inférieure pour un nouveau cycle.
De nombreux caloducs toujours en fonctionnement travaillent avec un fluide frigorigène de la catégorie des chlorofluorocarbures (CFC) actuellement interdits dans les nouveaux matériels.
La disposition verticale est caractéristique du type à gravité. Il existe également des tubes horizontaux où la circulation se fait par capillarité. Ce dernier système est alors réversible et peut donc fonctionner en été.
Ce type de récupérateur se caractérise par sa faible masse, l’absence de pièces en mouvement et un encombrement réduit. Les conduits d’air repris et d’air neuf doivent cependant être proches.
Concernant le fonctionnement, une régulation est à prévoir, de même il faut également prévoir un entretien du récupérateur.
Facteur influençant le rendement
Soit le diagramme suivant fourni par un constructeur :
Graphe de performance.
Ce diagramme est conçu en fonction d’une température entre l’air vicié et l’air neuf de 30°C mais peut cependant s’appliquer également avec une bonne fiabilité dans toute la plage comprise entre 20°C et 40°C. Le diagramme ci-dessus suppose que les débits d’air neuf et d’air vicié sont identiques.
Le rendement de récupération est donc fonction ici :
> l’efficacité thermique se situe généralement entre 50-60 %. |
Avantages – Désavantages
Avantages
- Faible encombrement,
- peu de maintenance,
- système statique (pas d’énergie d’appoint),
- réversibilité pour le type horizontal à capillarité.
Désavantages
- Amenée et évacuation d’air doivent être adjacentes,
- régulation de température limitée,
- risque de givre mais seuil assez bas,
- en cas de panne, il y a risque de contamination de l’air par le fluide frigorigène,
- pas réversible, donc pas de fonctionnement d’été possible pour le type gravitaire.
Régulation
Tous les types de récupérateurs nécessitent un système de régulation :
- En hiver pour éviter le gel du côté de l’air extrait : si l’échange est tel que la température de l’air extrait chute sous 0°C, il faut réduire le transfert de chaleur pour éviter le givre de l’échangeur.
- En mi-saison et en été pour éviter la surchauffe de l’air à la sortie du récupérateur : il faut réduire l’échange pour éviter que la température de l’air neuf devienne telle qu’elle contribue à surchauffer l’ambiance intérieure.
Pour les échangeurs verticaux, la régulation antigel s’effectue par by-pass d’une partie de l’air neuf qui est injecté directement sans passer par le récupérateur. On limite ainsi la diminution de température de l’air rejeté. C’est en fonction de l’état de l’air repris que les diagrammes des fabricants permettent de déterminer les conditions pour lesquelles on risque d’atteindre la limite de gel. Il faut en outre tenir compte de cette possibilité de by-pass pour dimensionner la batterie de préchauffe complémentaire placée sur l’air neuf.
Pour réguler les échangeurs caloducs horizontaux, on le dispose sur une balance, de légères inclinaisons de +- 5 à 10 degrés accélérant le retour des condensats (augmentation de puissance) ou le ralentissement (diminution de puissance) progressivement. On parle de régulation par basculement.
Entretien
Le contrôle de l’état de propreté de l’équipement de récupération est primordial.
En effet, l’encrassement des surfaces d’échange a deux conséquences néfastes sur la récupération : la réduction du coefficient d’échange de chaleur et la réduction des débits d’air.
Le tableau ci-dessous donne, pour les caloducs, les différents points à contrôler lorsque l’on fait la maintenance :
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Caloducs |
v |
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| 1 | État des surfaces d’échange (nettoyage régulier) |
X |
| 2 | Contrôle des éventuelles fuites d’air | – |
| fuites externes |
X |
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| fuites internes |
X |
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| fuites au niveau du clapet de by-pass |
X |
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| 3 | Contrôle de la régulation | – |
| régulation à bascule |
X |
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| régulation du/des clapets de by-pass |
X |
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| régulation antigel |
X |
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| 4 | Contrôle du fluide caloporteur | – |
| contrôle du remplissage du circuit |
X |
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Exemple
| En vue de comparer les différents systèmes de récupération, nous développons ici le calcul du rendement de l’installation pour les différents systèmes de récupération présentés.
Prenons comme exemple une installation de traitement d’air d’un immeuble de bureaux, fonctionnant en tout air neuf, 10 heures/jour, 5 jours/semaine. Les groupes de pulsion et d’extraction GP/GE sont de même débit : 21 000 m³/h – section de 1 525 x 1 525 mm, soit une vitesse d’air de 2,5 m/s. Dans le cas d’un échangeur à caloduc, on déduit du catalogue du constructeur :
On constate qu’une part de l’énergie thermique transmise à l’air neuf provient de la condensation de la vapeur d’eau de l’air extrait. Celui-ci ne reçoit aucune humidité et évolue donc à humidité absolue constante.
εt = t2 – t1 / t3 – t1 = (9,6 – (- 10)) / (22 – (- 10)) = 0,61 = 61 % L’équipement sélectionné a entraîné les températures de sortie des fluides. On en déduit que le récupérateur a donné un accroissement de température de l’air neuf de 61 % de l’écart maximal entre les fluides, soit 0.61 x 32° = 19,6°. Remarque : en réalité, le rendement thermique (rapport des enthalpies) donnerait : η = h2 – h1 / h3 – h1 = (13,5 – (- 6,5)) / (41 – (- 6,5)) = 0,42 = 42 % Seulement 42 % du transfert maximal (en chaleur sensible et latente) est réalisé par le récupérateur). La puissance maximale récupérée représente : Pmax. réc. = 0,34 [W/(m³/h).°C] x 21 000 [m³/h] x (9,6° – (- 10°)) = 136 [kW] 0,34 [W/(m³/h).°C] = chaleur spécifique de l’air Cette puissance pourra être déduite de la puissance de la chaudière à installer. L’efficacité thermique, calculée dans les conditions extrêmes (- 10°C), reste sensiblement identique aux autres températures de la saison de chauffe. Aussi, la température moyenne extérieure en journée étant de 8°C, la puissance moyenne récupérée sera de : Pmoy. réc. = 136 [kW] x (22° – (8°)) / (22° – (- 10°)) = 60 [kW] Cela entraîne une économie thermique de Eréc = 60 [kW] x 10 [h/j] x 5 [j/sem]. x 35 [sem] / 0,8 = 130 870 [kWh] Le facteur 0.8 correspond au rendement saisonnier de la production de chaleur pour une installation de chauffage nouvelle et dont les conduites sont isolées. On prendrait 0.7 pour une installation plus ancienne. 35 semaines correspondent à la durée de la saison de chauffe. Suite à la présence du récupérateur (pertes de charge complémentaires), les puissances des ventilateurs sont modifiées comme suit :
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Auteur : les anciens
Notes :