Dimensionnement échangeur à plaques
Un élément central de nombreux systèmes thermiques est l’échangeur de chaleur à plaques, qui assure un transfert de chaleur efficace entre différents fluides. Polysun accompagne le dimensionnement échangeur à plaques en prenant en compte des paramètres essentiels tels que la surface d’échange, les propriétés des matériaux et les conditions d’écoulement.
Le dimensionnement échangeur à plaques dans Polysun permet de définir la taille et la configuration optimales de l’équipement afin d’atteindre la performance souhaitée avec un minimum de pertes et de chutes de pression. Les concepteurs peuvent ainsi réduire les coûts, améliorer la sécurité de fonctionnement et augmenter l’efficacité énergétique de l’ensemble du système.
Grâce aux options de modélisation flexibles de Polysun, il est possible de représenter de manière réaliste aussi bien des échangeurs internes qu’externes et de les intégrer dans une large variété de configurations d’installation. Les utilisateurs disposent en outre d’un vaste choix de plus de 80 modèles d’échangeurs de chaleur à plaques de différents fabricants directement disponibles dans Polysun pour le dimensionnement échangeur à plaques. Cette approche fournit une base solide pour des décisions techniques fiables et une planification économique.
Polysun fournit une taille d’échangeur de chaleur à plaques parfaitement adaptée à l’hydraulique (pompe à chaleur, ballon tampon) et aux consommateurs, grâce à un dimensionnement échangeur à plaques basé sur une simulation dynamique. Cette approche présente de nombreux avantages par rapport à un simple dimensionnement échangeur à plaques excel.
Dimensionnement échangeur à plaques
A Polysun, de l’échangeur à plaques internes sont disponibles pour certains types de systèmes, et de l’échangeur à plaques externes pour d’autres.
Le taux de transfert d’échangeur à plaques est d’autant meilleur que la surface de transfert est grande (c’est-à-dire la « surface totale de l’échangeur »), que l’épaisseur de la paroi du tube est faible et que la conductivité du matériau dont est constitué le tube de l’échangeur de chaleur à plaques est élevée. Enfin, la vitesse du débit dans le tube joue également un rôle. Cela dépend du taux de débit. Le nombre de « serpentins traversés en parallèle » indique combien d’échangeurs thermiques sont utilisés en parallèle (c’est-à-dire disposés les uns dans les autres).
Avec l’échangeur de chaleur à plaques externe, on peut utiliser soit une « hauteur d’entrée fixe », soit une « hauteur d’entrée variable » (c’est-à-dire un dispositif de stratification). On peut définir à la fois l’extrémité inférieure et l’extrémité supérieure du dispositif de stratification. Il est intéressant de noter que l’optimum pour la hauteur du dispostif de stratification ne se situe pas au niveau de la strate la plus haute, mais à environ ¾ de la hauteur du réservoir. Cela signifie qu’il n’y a pas de stratification « parfaite » dans la partie supérieure du réservoir, mais que les pertes de chaleur au niveau du couvercle supérieur ne sont pas si importantes. Cependant, le dispositif de stratification doit atteindre au moins la gamme du besoin d’une journée.
Le taux de transmission thermique k en W/(m2*K) multiplié par la surface de transfert A en m2 donne le taux de transmission thermique d’échangeur de chaleur à plaques. Elle est de l’ordre de plusieurs milliers de W/K. La quantité DT indique quelle est (devrait être) la différence de température entre l’eau chaude côté capteur et l’eau chaude côté réservoir pour transférer la densité de puissance de 500 W/m2 dissipée par l’échangeur thermique au réservoir. Cette valeur dépend du taux de transmission et de la surface des capteurs.
Le débit de volume du côté du capteur peut être déterminé par le taux de débit. Le débit de volume du côté du réservoir est déterminé par le fait que le débit de capacité (= débit multiplié par la capacité thermique du fluide) est le même des deux côtés de l’échangeur à plaques. Si l’on utilise un mélange de glycol dans le circuit du capteur, mais uniquement de l’eau dans le réservoir, les deux débits de volume ne sont pas les mêmes.
Échangeur de chaleur à plaques du côté du consommateur
Lorsqu’un échangeur de chaleur à plaques est utilisé du côté de la consommation d’eau chaude, l’objectif est non seulement d’assurer un échange thermique aussi efficace que possible, mais aussi d’obtenir la température de l’eau désirée. À cet effet, un réglage de la pompe du côté du réservoir d’échauffeur thermique est prévu. La température qui doit être présente en haut du réservoir pour pouvoir atteindre la température d’eau chaude désirée est indiquée dans la ligne en bas du dialogue comme la « température minimale nécessaire du réservoir ». Il dépend de la température de l’eau froide et chaude, du taux de transmission et du débit nominal. Le débit nominal indique la quantité maximale d’eau chaude qui est prélevée par unité de temps. Le « taux de prélèvement » correspondant est également indiqué.
Quels fluides (côté primaire et secondaire) puis-je utiliser avec un échangeur de chaleur à plaques dans Polysun ?
Dans le cadre du dimensionnement échangeur à plaques, Polysun permet de prendre en compte différents fluides tels que l’eau, la saumure ou les antigels. Le logiciel intègre automatiquement les propriétés physiques comme la densité, la capacité calorifique et la viscosité dans le calcul.
Quel débit volumique est nécessaire ?
Pour le dimensionnement échangeur à plaques, le débit volumique est calculé à partir de la puissance demandée et du différentiel de température. Un débit plus élevé améliore le transfert de chaleur, mais augmente également la perte de charge et donc l’effort de pompage.
Comment choisir la surface d’échange et le coefficient de transfert thermique ?
La surface d’échange requise dépend du coefficient global de transfert thermique (valeur k), qui varie selon le fluide, la vitesse d’écoulement et la géométrie des plaques. Polysun fournit des valeurs de référence et prend en compte des marges de sécurité pour refléter des conditions de fonctionnement réelles.
Quelles normes et quels facteurs de sécurité doivent être respectés ?
Les échangeurs de chaleur à plaques sont soumis, entre autres, aux directives de qualité EN 1148 et ISO 9001 ainsi qu’aux réglementations sur les équipements sous pression (PED). Lors du dimensionnement échangeur à plaques, une marge de sécurité de 10 % à 20 % est généralement prévue pour compenser les incertitudes liées aux variations de charge ou au vieillissement.
Comment prendre en compte le fonctionnement en charge partielle et les profils de charge variables ?
Les échangeurs de chaleur à plaques fonctionnent efficacement même en charge partielle, à condition que le débit et le différentiel de température soient adaptés. Dans Polysun, il est possible de simuler des profils de charge variables afin d’évaluer avec précision la performance dans différentes conditions d’exploitation.
Pourquoi utiliser un dimensionnement échangeur à plaques excel alors que Polysun offre un dimensionnement dynamique plus précis ?
Un dimensionnement échangeur à plaques excel peut fournir une estimation simple basée sur des formules statiques. Cependant, cette méthode reste limitée car elle ne prend pas toujours en compte l’ensemble des paramètres réels comme les profils de charge variables, les pertes de charge dynamiques ou l’interaction avec d’autres composants hydrauliques (pompe à chaleur, ballon tampon, consommateurs).
Polysun va bien au-delà d’un calcul dans Excel : grâce à la simulation dynamique, le logiciel propose un dimensionnement échangeur à plaques optimisé et adapté aux conditions réelles de fonctionnement. Les utilisateurs bénéficient ainsi d’une sélection parmi plus de 80 modèles d’échangeurs de chaleur à plaques de fabricants différents, ce qui garantit une précision accrue, une meilleure efficacité énergétique et une sécurité de planification supérieure par rapport à un simple dimensionnement échangeur à plaques excel.