Refroidisseurs ⇒ Débit d'eau et diamètres de tuyaux

[parade]

J'essaye de me faire mon refroidisseur en suivant l'un des nombreux tutos mais... comme j'habite dans le trou du cul du monde (Saint-Marcellin, 45% de M.G., plus de vaches ou de noyers que d'habitants), on trouve pas tout.

Pour le tuyau cuivre, c'est bon, du Ø12 longueur 15 m (il n'y avait plus de couronne de 10m).
Pour aller du robinet au cuivre, rupture de stock sur les diamètres habituels, j'ai pris du Ø6 et les raccords !

Et là est ma question, il me semble qu'il faut un petit débit pour refroidir, mais avec un Ø6 n'est-ce pas trop petit pour passer le débit ?

Notamment il me semblerait logique d'avoir un plus gros débit au début et de le réduire au fur et à mesure du refroidissement, j'ai l'impression que je risque d'avoir un débit insuffisant en début... me trompé-je ?
(ou me gourré-je si vous préférez).

Bref, dois-je changer une partie de mes raccords et attendre d'aller «à la ville» pour 3m de tuyau Ø12 et deux raccords qui se courent après ?

Merci d'avance !

[Le nain brasseur]

Tu n'auras pas de problème avec 15m de cuivre recuit diamètre 12 pour refroidir des brassins de 20-30L, concernant le petit diamètre de raccord d'eau, il faudrait tester en pratique, ça favorisera l'échange thermique dans le serpentin si l'eau ne circule pas trop vite

[Tofito]

Je ne suis pas expert en tuyauterie, mais une augmentation brutale de diamètre d'un tuyau ne crée-t-elle pas des bulles (espèce de venturi), ce qui diminuerait l'efficacité du refroidisseur car l'air est moins bon absorbeur de chaleur que l'eau??

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Je ne suis pas expert en tuyauterie, mais une augmentation brutale de diamètre d'un tuyau ne crée-t-elle pas des bulles (espèce de venturi), ce qui diminuerait l'efficacité du refroidisseur car l'air est moins bon absorbeur de chaleur que l'eau??

Il faudrait pour créer des bulles que l'air (des bulles) arrive de quelque part... à moins d'avoir un écoulement tellement rapide que la pression arrive à zéro et qu'on ne crée une cavitation (bulles de vide et non d'air) mais faut pas y compter dans la réalité.
En plus en augmentant le diamètre, ça surprend mais ça crée une surpression et non une dépression (0.5*V²+P/1000 = constante. Donc quand le diamètre augmente, la vitesse diminue et par conséquent la pression augmente) !
C'est pour ça que dan,s les venturis, la prise de basse pression se trouve dans la partie de section restreinte
Donc strictement aucun risque de ce côté contrairement à ce que l'intuition peut laisser croire !

[parade]

concernant le petit diamètre de raccord d'eau, il faudrait tester en pratique, ça favorisera l'échange thermique dans le serpentin si l'eau ne circule pas trop vite

Certes... mais si l'eau circule trop lentement parce que le diamètre du tuyau est trop petit, ça évacuera aussi moins de calories. Surtout au début quand la différence de température entre l'eau entrante et le brassin est grande
On doit pas avoir une grande différence entre un tuyau 15m et un 10m, à vitesse d'écoulement égale l'eau y reste 50% de temps en plus mais comme en sortie elle est proche de la température du cuivre elle même, on doit gagner de l'ordre de 10% voire moins en efficacité...

D'où ma question, quelle que soit la longueur de votre refroidisseur : Quel débit d'eau réglez-vous ?
(Pour un 27 L)

En fait je n'ai strictement aucune idée du débit «normal dans un refroidisseur». Avec ce montage, je plafonnerai en débit à 3,12 l/min (calculs théoriques mais j'ai confiance) c'est suffisant ?

[Penn-Maen]

ton calcul est cohérent avec ce que j'ai (de 45 à 70 litres en 20 à 30 minutes, selon la température réseau, pour 20 litres de moût - Serpentin : 2 x 10 m en parallèle, diamètre 3/8").
Dans tous les cas, c'est l'empirisme qui prévaut à chaque brassin...

Attention cependant à la réduction : tu vas augmenter la perte de charge. Selon la pression dispo à l'entrée de l'échangeur, si la perte de charge est trop importante, tu pourrais ne pas atteindre le débit que tu souhaites. En soit, ce n'est pas grave, ce sera juste un peu plus long.

D'autre part, ce n'est pas en diminuant trop la vitesse que l'échange sera meilleur : à vitesse trop basse, tu pourrais te retrouver en régime laminaire (ou proche de celui-ci), donc avec un échange thermique très mauvais (Reynolds est ton ami... ou pas ). Sur un échangeur à plaque, le problème se pose moins car les corrugations permettent d'atteindre le régime turbulent plus vite (et même sur des plaques lisses, l'écartement est tellement faible qu'on doit aussi avoir un Reynolds élevé dès les bas débits).

ça évacuera aussi moins de calories. Surtout au début quand la différence de température entre l'eau entrante et le brassin est grande

euh, non... A débit identique, c'est le gradient thermique qui va influencer l'échange (m.Cp.dT°). Donc, si débit trop faible, c'est en fin de refroidissement que tu vas en chier, car la température moyenne de l'ensemble sera très faible (peu d'écart entre l'eau de refroidissement et le moût), donc puissance plus faible, donc moins d'énergie évacuée, donc baisse de température moins rapide.

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ton calcul est cohérent avec ce que j'ai (de 45 à 70 litres en 20 à 30 minutes, selon la température réseau, pour 20 litres de moût - Serpentin : 2 x 10 m en parallèle, diamètre 3/8").

Alors je pars comme ça si 3,12l/min suffisent
Merci

ça évacuera aussi moins de calories. Surtout au début quand la différence de température entre l'eau entrante et le brassin est grande

euh, non... A débit identique, c'est le gradient thermique qui va influencer l'échange (m.Cp.dT°). Donc, si débit trop faible, c'est en fin de refroidissement que tu vas en chier, car la température moyenne de l'ensemble sera très faible (peu d'écart entre l'eau de refroidissement et le moût), donc puissance plus faible, donc moins d'énergie évacuée, donc baisse de température moins rapide.

Je crois que j'ai du mal m'exprimer au vu de ta réponse (puisque tu parles de débit identique alors que justement je regarde l'influence de ce paramètre : le débit)... Et ta réponse me fait comprendre au passage que ça n'a rien d'évident de dire clairement ce que j'essayais de dire...
Ce que je voulais dire c'est:
Ça évacuera moins de calories avec un débit insuffisant lié au Ø6 (que si on avait un grand débit), cet écart de rendement étant surtout vrai quand on a un grand delta T...

Pour faire le calcul complet de la puissance évacuée (calories par secondes ou joules par secondes c'est à dire watts) avec un débit, un diamètre de tuyau et un longueur échangeur, il faut aller un peu plus loin que de regarder simplement la différence de chaleur massique...

Si ça t'intéresse...

On a rho*Cp*q*dt*(T(x+dx)-T(x)) = (Tb-T(x))Glin(x)*dt*dx (Bilan thermique c'est à dire intégration de la loi de Fourier sur une longueur dx du tuyau)
avec :
rho = 1000kg/m^3 (masse volumique de la flotte)
Cp = 4186 J/kg/K
q le débit en m^3/s
T(x) = température de l'eau à la cote x (x=0 à l'entrée de l'échangeur dans le brassin)
Tb= température du brassin
Glin(x) = conductance thermique linéique... c'et là que ça devient un peu approximatif parce que je vais devoir négliger les différences de températures de surface brassin/cuivre et cuivre/eau... (sinon c'est trop lourd comme calcul).
Glin(x) = 1/(x*Rth) = 2*Pi*lambda/ln(Rext/Rint) avec Rext = 12mm et Rint = 10mm
Lambda= conductivité thermique du cuivre = 380 W/m/K

De cette équadiff, on obtient : T(x) = Tb + (T(0)-Tb)*exp[-x*Glin/(rho*q*Cp)]

Ceci permet de calculer la température de l'eau en sortie de refroidisseur et donc la puissance instantanée évacuée P = rho.q.Cp.(T(15)-T(0)... ça semble être proportionnel au débit q dit comme ça mais T(15) = Tb + (T(0)-Tb)*exp[-15*Glin/(rho*q*Cp)] et dépend donc aussi du débit q... sous la forme exp(-a/q) avec a constant.
Autrement dit, plus T(0)-Tb est grand et plus l'influence d'un débit insuffisant se fait sentir.


Et le "sinon c'est lourd comme calcul" ci-dessus explique ma question initiale (parce que sinon le calcul permet d'obtenir la courbe de refroidissement du brassin à 3,12l/min) : en fait je ne suis pas sur qu'on puisse négliger ce que je néglige !

Mais ta réponse «ton calcul est cohérent avec ce que j'ai (de 45 à 70 litres en 20 à 30 minutes, selon la température réseau, pour 20 litres de moût - Serpentin : 2 x 10 m en parallèle, diamètre 3/8")» donne la clef : tu passes un peu plus de 2l/min pour un refroidisseur qui a un Glin plus favorable. En passant 3l/min au lieu de 2 je peux espérer compenser en partie la plus mauvaise conductance thermique linéaire et ainsi refroidir 20 litres non pas en 20 à 30 minutes mais pas trop loin...

Ouf !

[Penn-Maen]

amha, tu te compliques un peu la vie, non ?
Parce que les equa diff de transfert thermique, lorsque tu brasses, t'as pas le temps de t'en préoccuper
Le bon débit, c'est quand tu vois la température de ton brassin qui diminue d'environ 2 à 3°C / minutes. Ça va plus vite au départ (5 à 8°C/min), et moins à la fin (1°C/min).

Sinon, tant qu'à faire un calcul de transfert, si tu veux être archi précis, n'oublie pas :

• que la masse volumique de l'eau varie selon la température
• la partie convection (une bonne grosse "couche limite" sur la partie extérieure du serpentin va drastiquement faire chuter l'efficacité de l'échangeur*). Limiter le calcul à la partie conduction au travers de la paroi de l'échangeur doit fausser considérablement le résultat.
• Bien qu'on en soit proche, ton échangeur n'est pas mono-dimensionnel : si tes spires sont très rapprochées, il y aura probablement interaction, sauf conception particulière. Il faudrait dès lors intégrer aussi selon dy (à confimer, j'ai perdu cela de vue depuis 20 ans, mais il me semble l'avoir fait pour "calculer" un multitubulaire à calandre lors d'un TD, il y a fort fort fort longtemps, et déjà à l'époque je n'aimais pas Fourrier et Laplace)
• que lors du refroidissement, tu auras autre chose à faire que te préoccuper de régler le débit à 3.12 litres tip-top (à supposer d'ailleurs que tu dispose d'un débitmètre suffisamment précis, sinon tu auras fini le refroidissement avant d'y arriver ). Une main sur la vanne en sortie d'échangeur, un oeil sur le thermomètre dans le brassin, et tu n'as besoin de rien d'autre

Il doit bien y avoir des spécialistes des échangeurs sur le forum. Personne pour filer un coup de pouce ???

* : le simple fait de mettre le moût en rotation pendant le refroidissement, ou de remuer le refroidisseur dans la cuve, permet de diviser le temps par presque 2, toute chose étant égale par ailleurs.

[parade]

Parfaitement d'accord

Non seulement la masse volumique change, mais la capacité calorifique massique change aussi, ainsi que la conductivité thermique du cuivre !

Et encore d'accord sur l'histoire de la couche limite (pas seulement extérieure) je l'ai exprimée autrement mais il s'agit bien de ça quand j'ai ajouté le "sinon c'est trop lourd comme calcul"... et ma remarque sur le fait que je ne suis pas sur qu'on puisse négliger ce que je néglige. (Mais si on a du sens physique ça va encore plus dans le même sens).

Il est tout aussi évident que ce genre de calcul je ne les fait que pour le dimensionnement initial des schmilblicks... pour éviter de me planter au niveau de ce que je bricole pour ma femtobrasserie (bah oui c'est plus petit qu'une picobrasserie )... et je en compte pas un seul instant mesurer le débit, je compte y aller à fond du début à presque la fin parce que ce qui ressort de ce sujet, c'est que mon débit maximum est déjà un peu faible.