Tubes et fluide caloporteur
Tubes
Les tubes sont les connexions entre les différents composants de l’installation solaire thermique. Leur tâche principale est de transporter le fluide caloporteur entre eux avec le moins de pertes thermiques possible. Les tubes fins ont l’avantage de n’avoir qu’un faible volume, ils nécessitent donc peu de fluide et le fluide chauffé est rapidement transporté du capteur au réservoir. En revanche, ils causent des pertes de pression nettement plus importantes que les tubes de plus grand diamètre, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d’énergie de la pompe de circulation. Dans Polysun, il est possible de définir séparément les tubes aller et retour. Cela permet, par exemple, de mieux isoler le tube aller (plus chaud) ou de dimensionner le tube retour de manière plus épaisse afin de réduire la perte de pression.
Les aspects suivants doivent être pris en compte pour déterminer les dimensions du tube:
- Les tubes de grand diamètre ont une grande surface et présentent donc des pertes thermiques plus importantes
- Les tubes de grand diamètre intérieur permettent des débits plus élevés.
- Dans les tubes plus massifs, le fluide s’écoule souvent de manière laminaire, ce qui empêche la transmission thermique transversale dans le fluide et entraîne donc de plus petites pertes thermiques
- Les tubes plus massifs ont un volume plus important (pour une même longueur), ce qui nécessite une plus grande quantité de fluide caloporteur dans le circuit du capteur et rend le système inerte
De ces considérations, on peut déduire que le diamètre du tube doit être plutôt petit et qu’il est essentiellement déterminé par le critère d’une perte de pression appropriée.
Le diamètre et l’épaisseur de paroi des tubes sont donnés par un catalogue de tubes disponibles dans le commerce (en cuivre et en acier). Pour les tubes en cuivre, la spécification 22 x 1 signifie un diamètre extérieur de 22 mm et une épaisseur de paroi de 1 mm. Pour les tubes de gaz, le diamètre intérieur est indiqué en inches (1 inch = 2.54 cm).
Isolation thermique des tubes
L’isolation thermique des tubes est très importante. Vous ne voulez pas perdre les pourcentages d’efficacité durement gagnés par les capteurs lors du transfert de chaleur vers le réservoir. De bons matériaux d’isolation thermique, avec une épaisseur appropriée de quelques cm, assurent des pertes thermiques tolérables..
Les tubes de raccordement sont isolés le plus loin possible de la sortie. La capacité isolante peut être réglée à l’aide de la boîte de dialogue suivante (double-cliquez sur le tube) :
L’épaisseur de l’isolation thermique et sa conductibilité thermique peuvent être définies librement. La conductibilité thermique et la capacité thermique des tubes métalliques utilisés sont également déterminantes pour le comportement thermique des tubes. La longueur totale de tubes peut être spécifiée séparément dans les champs correspondants. Il est important de prendre également en compte des détails tels que la longueur de tube intérieure par rapport à la longueur de tube extérieure dans la simulation. Pour ce faire, deux tubes distincts sont définis (au niveau du Designer), dont la capacité isolante et la longueur peuvent ensuite être saisies séparément.
Dimensionnement des tubes
Fluides caloporteurs (Fluides)
En raison des conditions climatiques en Europe centrale, les systèmes solaires doivent résister à des températures inférieures à zéro. Il est donc impossible, par exemple, de produire l’eau chaude nécessaire directement dans le capteur. Si l’eau potable pure gèle dans le capteur, elle détruit le capteur par sa dilatation. L’eau potable normale présente également l’inconvénient que le capteur se calcifie avec le temps.
Pour que le fluide caloporteur réponde aux exigences mentionnées ci-dessus, l’eau normale est mélangée à une certaine quantité de glycol. Dans de nombreux cas, l’éthylène glycol (par exemple l’Antifrogen L) ou le propylène glycol (par exemple l’Antifrogen N) est utilisé comme antigel. Comme le fluide circule dans un circuit fermé, le problème d’entartrage ne se pose pas avec acuité. Plusieurs aspects doivent être pris en compte lors du rapport du mélange :
- La capacité thermique du fluide diminue avec l’augmentation de la concentration de glycol
- La résistance augmente avec une teneur en glycol plus élevée (problème de perte de pression)
- Le point de congélation diminue avec l’augmentation de la concentration de glycol
- Le point d’ébullition augmente avec la concentration de glycol
- Les processus chimiques possibles, en particulier lors des transitions entre différents métaux, doivent être pris en compte
- La résistance thermique des fluides doit être prise en compte
A partir d’une certaine concentration, le fluide congelé ne pose plus de problèmes car il ne gèle plus comme de la glace (cristalline) mais acquiert une structure sulky-grainée. Il ne peut plus développer un effet explosif. À partir d’une fraction volumique de 33 % (propylène glycol) ou de 38 % (éthylène glycol), l’effet mentionné ci-dessus se produit.
Dans Polysun, la concentration en glycol peut être définie. Les propriétés physiques correspondantes sont données pour une température de 50 °C.
Moyen de chauffage (mélange de fluides)
- Risque de gel en hiver : S’il faut s’attendre à des températures extérieures inférieures à 0°C, il faut utiliser un antigel (généralement du glycol). Cependant, plus la proportion de glycol est élevée, plus la capacité thermique du fluide est faible. Pour l’éthylène glycol, on utilise normalement une proportion de 33% (pour le propylène glycol, 38%). Cela permet de garantir que, même à des températures négatives extrêmes, le fluide ne gèle qu’en » sulky » et ne développe pas d’effet explosif à l’intérieur du collecteur..
- Calcification du système : Il y a deux aspects à considérer ici : si des tubes avec un diamètre intérieur faible sont utilisés dans le capteur, la calcification peut obstruer le capteur au fil du temps. Deuxièmement, la calcification peut également devenir un problème dans le réservoir. Cela se produit plus fréquemment lorsque l’eau est chauffée à des températures supérieures à 60°C.
- Stérilité du réservoir : Si l’eau chaude sanitaire est conservée directement dans le réservoir, des légionelles peuvent se former. Ce phénomène peut être évité en chauffant périodiquement le réservoir au-dessus de 65°C. Dans les systèmes d’eau chaude sanitaire avec une couverture annuelle de plus de 50 %, cette couverture est toutefois garantie au cours du demi-année d’été en raison des températures qui se produisent.
Bien entendu, les considérations de coût entrent également en ligne de compte dans le choix d’un système. Les fluides coloporteurs externes sont généralement plus coûteux que les internes, nécessitent une pompe supplémentaire, mais atteignent des capacités de transmission plus élevées que les fluides coloporteurs internes. Les fluides coloporteurs externes sont principalement utilisés dans les grands systèmes, où les coûts supplémentaires sont compensés par un rendement plus élevé.
Le glycol comme antigel est certainement un facteur de coût. Pour cette raison, il n’est généralement utilisé que dans le circuit du capteur, mais pas comme fluide du réservoir (également en raison de sa plus faible capacité thermique).