THERMODYNAMIQUE. T60D - Unité d'étude sur les Echanges Thermiques

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1 THERMODYNAMIQUE T60D - Unité d'étude sur les Echanges Thermiques T60D/C Unité d étude sur les échanges thermiques informatisée (Code ) 1. Généralités L'unité d'étude Didacta T60D constitue un instrument fondamental pour la compréhension des phénomènes concernant les échanges thermiques et de la technologie des échangeurs thermiques de type industriel, à travers des mesures expérimentales. L unité est disponible en deux versions: T60D Unité d étude sur les échanges thermiques (Code ) T60D/C Unité d étude sur les échanges thermiques informatisée (Code ) L unité comporte les échangeurs suivants: S1 Echangeur à radiateur de type automobile eau/air (liquide/gaz); S2 Echangeur à faisceau de tubes eau/eau (liquide/liquide); S3 Echangeur à deux tubes concentriques eau/eau (liquide/liquide); S4 Echangeur optionnel à faisceau de tubes eau/vapeur (liquide/vapeur); S5 Echangeur optionnel à plaques eau/eau (liquide/liquide). Les échangeurs sont montés en parallèle et peuvent opérer en équi-courant ou en contre-courant, à l exception de S1 et S4. La sélection de l'échangeur et du mode de fonctionnement se fait à travers des soupapes manuelles. Le système comporte un réchauffeur électrique à thermostat électronique pour la production de l'eau chaude, alors que l'eau froide est prise du réseau de distribution. DIDACTA Italia S.r.l. - Strada del Cascinotto, 139/ Torino - Italy Tel Fax info@didacta.it

2 Le banc est sur roulettes et il est doté d'un panneau avant avec un schéma synoptique sérigraphie. Le group est livré avec un manuel qui décrit l unité en toutes ses parties, les modalités d installation et d usage et propose des nombreuses expériences didactiques avec résultats expérimentaux. 2. Composition L unité comprend: T60D - code comprenant les circuits hydrauliques, les pompes, l'appareillage électrique, les instruments de mesure et les échangeurs S1, S2, S3; T60D/C - code , en alternative au code comprenant les circuits hydrauliques, les pompes, l appareillage électrique, les instruments de mesure, les échangeurs S1, S2, S3, le kit de transducteurs électroniques, complet de unité d alimentation et conditionnement signaux et carte de conversion A/D et le logiciel d acquisition et analyse données pour Windows. Optionnel code : Echangeur S4 à faisceau de tubes eau/vapeur avec chaudière pour la production de la vapeur (code ); Optionnel code : Echangeur S5 à plaques eau/eau. 3. Description Groupe de base - code La figure 5 reporte le synoptique général de l'unité d'étude, comprenant les échangeurs optionnels. Les deux pompes centrifuges P1 et P2 créent respectivement un flux d'eau chaude et un d'eau froide. L'eau chaude est obtenue à travers le réchauffeur électrique HT à thermostat TIC. Avec des soupapes il est possible de diriger ces flux vers l échangeur en essai et de sélectionner pour S2, S3 et S5 le fonctionnement en équi-courant ou en contre-courant. Le débit d'air chaud et d'air froid peut être mesuré avec les débitmètres F1 et F2, tandis que la pression peut être mesurée avec les manomètres M1 et M2. L'échangeur S1 nécessite non seulement le flux d'eau chaude, mais aussi un flux d'air créé par le ventilateur VE. Le débit d'air est mesuré à travers le diaphragme étalonné DC et le micro-manomètre différentiel D1. Un deuxième micro-manomètre différentiel D2 permet de mesurer la perte de charge de l'air entre amont et aval de l'échangeur S1. Un manomètre à mercure en U permet de mesurer la perte de charge de l'eau entre amont et aval des échangeur, et il peut être raccordé si nécessaire aux différentes prises de pression PM présentes dans le circuit. Le réservoir de récolte de l'eau TA, doté de thermomètre TI, permet de mesurer la température du mélange d'eau chaude et d'eau froide sortant des échangeurs. Dans les points caractéristiques du circuit sont placés 12 thermorésistances Pt100 reliées à un instrument digital qui se trouve dans l'appareillage électrique E. L'appareillage électrique du système T60D est chargé d'alimenter et de contrôler les composants électriques du groupe. Il comprend notamment les disjoncteurs et les sélecteurs pour l'allumage ou l'exclusion des différents composants électriques, le thermo-régulateur pour la sélection de la température de l'eau chaude, l'afficheur pour la visualisation des températures mesurées par les sondes Pt100 à bord du circuit. Le thermo-régulateur TIC (2) permet de contrôler le réchauffeur H et d'arrêter son fonctionnement quand la température choisie est atteinte (Point de Réglage). Les caractéristiques techniques des différents échangeurs sont reportées dans le tableau 1. Groupe de base informatisé code La figure 5 reporte le synoptique général de l'unité d'étude, comprenant les échangeurs optionnels et les transducteurs fournis avec le système automatique de acquisition données. Les deux pompes centrifuges P1 et P2 créent respectivement un flux d'eau chaude et un d'eau froide. L'eau chaude est obtenue à travers le réchauffeur électrique HT à thermostat TIC. Avec des soupapes il est possible de diriger ces flux vers l échangeur en essai et de sélectionner pour S2, S3 et S5 le fonctionnement en équi-courant ou en contre-courant. Le débit d'air chaud et d'air froid peuvent être mesurés avec les débitmètres F1 et F2 auxquels correspondent les transducteurs de flux à turbine TQ1 et TQ2 - complets de convertisseur des signaux - tandis que la pression peut être mesurée avec les manomètres M1 et M2. L'échangeur S1 nécessite non seulement le flux d'eau chaude, mais aussi un flux d'air créé par le ventilateur VE. Le débit d'air est mesuré à travers le diaphragme étalonné DC et le micro-manomètre différentiel D1. Un deuxième micro-manomètre différentiel D2 permet de mesurer la perte de charge de l'air entre amont et aval de l'échangeur S1. Un manomètre à mercure en U permet de mesurer la perte de charge de l'eau entre amont et aval des échangeur, et il peut être raccordé si nécessaire aux différentes prises de pression PM présentes dans le circuit. Le transducteur différentiel de pression TDP - complet de convertisseur de signaux permet d acquérir la perte de charge dans le trait de circuit sélectionné. Le réservoir de récolte de l'eau TA, doté de thermomètre TI, permet de mesurer la température du mélange d'eau chaude et d'eau froide sortant des échangeurs. Dans les points caractéristiques du circuit sont placés 12 thermorésistances Pt100 reliées à un instrument digital complet de convertisseur de signaux qui se trouve dans l'appareillage électrique E. L'appareillage électrique du système T60D est chargé d'alimenter et de contrôler les composants électriques du groupe. Il comprend notamment les disjoncteurs et les sélecteurs pour l'allumage ou l'exclusion des différents composants électriques, le thermo-régulateur pour la sélection de la température de l'eau chaude, l'afficheur pour la visualisation des températures mesurées par les sondes Pt100 à bord du circuit, l unité de conditionnement signaux et conversion A/D. Le thermo-régulateur TIC (2) permet de contrôler le réchauffeur H et d'arrêter son fonctionnement quand la température choisie est atteinte (Point de Réglage). Les caractéristiques techniques des différents échangeurs sont reportées dans le tableau 1. Page 2

3 Le logiciel d'acquisition et d'analyse de données fonctionne en environnement MS-Windows et il est utilisé pour prélever les données en temps réel, les traiter et les archiver. Il permet d'obtenir sur écran ou par impression les paramètres et les diagrammes prévus dans les différents essais. En outre, au lieu de prélever automatiquement les données des transducteurs, il est possible d'introduire ces données par clavier en les lisant sur les instruments traditionnels à bord de l'installation et en exploitant les possibilités de traitement et d'archivage du logiciel. Cette solution permet l'utilisation indépendante du logiciel, même en l'absence du kit de transducteurs. Echangeur optionnel S4 - code L'échangeur optionnel S4 (code ) (fig. 1) est monté sur un châssis indépendant sur roulettes, qui peut être facilement raccordé au système de base. L'échangeur S4 nécessite non seulement le flux d'eau froide, mais aussi un flux de vapeur produit par sa propre chaudière CA (optionnel code ). On peut aussi alimenter le circuit de l'eau chaude du groupe T60D avec l'eau chaude produite par S4, en isolant le réchauffeur électrique H. L'échangeur est entièrement réalisé en anticorodal, qui résiste à la corrosion. Le faisceau de tubes, à ailettes intégrales, est en cuivre. Avec l'échangeur eau/vapeur est également fourni un deuxième échangeur de refroidissement pour condenser la vapeur à la sortie et un accumulateur HS pour l'eau chaude sortant de l'échangeur. Le raccordement du module au groupe principal se réalise à travers les tuyaux flexibles à raccord rapide dont est doté le module. Fig. 1 - L'échangeur optionnel S4 (code ) Fig. 2 - L'échangeur optionnel S5 (code ) Echangeur optionnel S5 - code L'échangeur optionnel S5 (code ) (fig. 2) est constitué de 10 plaques avec une possibilité d'expansion, en acier AISI 316. L'échangeur S5 est monté sur le châssis du module de base. 4. Expériences possibles Echangeur eau/air S1 Etude du transfert de chaleur eau/air: mesure des températures de l'eau et de l'air sur les différents points de l'échangeur, calcul de la quantité de chaleur échangée dans les deux sens de l'unité de temps Mesure de la perte de pression de l'eau entre amont et aval de S1 et étude de la dépendance des débit d'eau Mesure de la perte de pression de l'air entre amont et aval de S1 et étude de la dépendance du débit d'air Echangeurs eau/eau S2, S3, S5 Etude du transfert de chaleur eau/eau en équi-courant: mesure de la température de l'eau sur les différents points de l'échangeur, calcul de la quantité de chaleur échangée dans les deux sens dans l'unité de temps, mesure de la température finale du mélange entre eau chaude et eau froide à la sortie de l'échangeur et comparaison avec la valeur théorique (voir fig. 3) Etude du transfert de chaleur eau/eau en contre-courant: mesure de la température de l'eau sur les différents points de l'échangeur, calcul de la quantité de chaleur échangée dans les deux sens dans l'unité de temps, mesure de la température finale du mélange entre eau chaude et eau froide à la sortie de l'échangeur et comparaison avec la valeur théorique Mesure de la différence de pression de l'eau chaude entre amont et aval de l'échangeur ou étude de la dépendance du débit d'eau chaude Mesure de la différence de pression de l'eau froide entre amont et aval de l'échangeur ou étude de la dépendance du débit d'eau froide (voir fig. 4) Comparaison entre le mode de fonctionnement en équi-courant et en contre-courant

4 Comparaison entre les différents échangeurs. Echangeur optionnel eau/vapeur S4 Etude du transfert de chaleur eau/vapeur en équi-courant: mesure de la température de l'eau et de la vapeur sur les différents points de l'échangeur, calcul de la quantité de chaleur échangée dans les deux sens dans l'unité de temps Mesure de la perte de pression de l'eau entre amont et aval de S4 et étude de la dépendance du débit d'eau Mesure de la perte de pression de la vapeur entre amont et aval de S4 et étude de la dépendance du débit de vapeur 5. Services demandés Alimentation électrique: triphasée, 50/60 Hz, 8 kw Alimentation en eau: 1500 l/h - 3 bars Décharge d'eau PC minimum Pentium avec disque dur (>10 Gb), lecteur de CD, carte graphique SVGA 800x600, souris, RAM 32 Mb, porte USB MS-Windows XP ou versions suivantes Imprimante graphique 6. Poids et dimensions Groupe de base Dimensions: 1900 x 950 x 1800 h mm Poids: 280 kg environ (290 kg avec échangeur optionnel S5) Echangeur optionnel S4 Dimensions: 900 x 650 x 1550 h mm Poids: 60 kg Fig. 3 Transfert de chaleur en S3 opérande en équicourant Tableau 1 - Caractéristiques techniques des échangeurs Fig. 4 Différence de pression eau froide en S3 en fonction d écoulement d eau Echangeur S1 S2 S3 S4 S5 Type Eau/air en radiateur Eau/eau en Eau/eau à deux Eau/vapeur à Eau/eau à plaques faisceau de tubes tubes concentriques faisceau de tubes Matière Corps en aluminium avec tubes ronds Surface d'échange Données physiques 0,0317 m 2 (frontal) Pas entre les ailettes 1,05 mm Corps en Anticorodal avec faisceau de tubes à ailettes intégrales en cuivre Corps en acier C40 avec tuyaux internes à ailettes intégrales en cuivre Corps en Anticorodal avec faisceau de tubes à ailettes intégrales en cuivre 0,3 m 2 0,3 m 2 0,3 m 2 0,37 m 2 No. de tubes: 4 Diamètre interne des tubes: 15,875 mm No. de tubes: 6 Diamètre interne des tubes côté eau chaude: 13 mm No. de tubes: 4 Diamètre interne des tubes: 15,875 mm Corps en acier C40 avec plaques en arête de poisson en acier inox AISI 316 No. de plaques: 10 Dimensions des plaques: 138 x 448 mm Longueur de tubes: 610 mm Diamètre interne des tubes côté eau froide: 27 mm Longueur de tubes: 430 mm Longueur de tubes: 610 mm Page 4

5 Fig. 1 - Synoptique général

6 Légende P1 Pompe centrifuge eau chaude P2 Pompe centrifuge eau froide M1 Manomètre de pression eau chaude M2 Manomètre de pression eau froide M3 Manomètre de pression vapeur (uniquement avec S4 optionnel code ) HT Accumulateur d'eau chaude H Réchauffeur électrique d'eau chaude à résistances TIC Thermostat électronique eau chaude TMAX Thermostat de sécurité température maximum eau chaude SA Réservoir d'eau LI Indicateur de niveau CA Chaudière de production de vapeur (uniquement avec S4 optionnel code ) HS Accumulateur d'eau chaude (uniquement avec S4 optionnel code ) BE Récipient gradué de récolte eau de condensation (uniquement avec S4 optionnel code ) S1 Echangeur eau/air à radiateur S2 Echangeur eau/eau à faisceau de tubes S3 Echangeur eau/eau à deux tubes concentriques S4 Echangeur eau/vapeur (S4 optionnel code ) S5 Echangeur eau/eau à plaques (S5 optionnel code ) V1 Soupape de sélection S1 circuit eau chaude V2 Soupape de sélection S2 circuit eau chaude V3 Soupape de sélection S3 circuit eau chaude V4 Soupape de sélection S4 circuit eau chaude ou d'arrêt V5 Soupape de sélection S5 circuit eau chaude (uniquement avec optionnel S5 code ) VA2, VB2, VC2 Soupapes de sélection du fonctionnement de S2 en équi-courant ou en contre-courant VA3, VB3, VC3 Soupapes de sélection du fonctionnement de S3 en équi-courant ou en contre-courant VA4, VB4, VC4 Soupapes de sélection des modes de fonctionnement de S4 (uniquement avec optionnel S4 code ) VA5, VB5, VC5 Soupapes de sélection du fonctionnement de S5 en équi-courant ou en contre-courant (uniquement avec optionnel S5 code ) VD2, VD3, VD4 Soupapes d exclusion de S2, S3, S5 F1 Fluxmètre eau chaude F2 Fluxmètre eau froide G1 Vanne manuelle de contrôle du flux d'eau chaude G2 Vanne manuelle de contrôle du flux d'eau froid G3 Vanne manuelle à trois voies pour la recirculation de l'eau chaude TA Réservoir de décharge eau chaude et froide TI Thermomètre eau de décharge VE Ventilateur à vitesse variable pour S1 DC Diaphragme calibré pour mesure du débit d'air pour S1 D1 Micro-manomètre différentiel de mesure du débit d'air provenant de DC D2 Micro-manomètre différentiel de mesure de la perte de charge de l'air en S1 U Manomètre différentiel à mercure pour la mesure des pertes de charge de l'eau dans les échangeurs S1, S2, S3, S5 T1, T2 T12 Thermo-résistances Pt100 T18, T19 T22 Thermomètres bimétalliques (uniquement avec optionnel S4 code ) PM Prises de mesure de la pression TQ1 Transducteur électronique du débit d'eau chaude Q1 (uniquement version computerisée T60D/C code ) TQ2 Transducteur électronique du débit d'eau froide Q2 (uniquement version computerisée T60D/C code ) TDP Transducteur électronique de différence de pression Dp1 et Dp2 (uniquement version computerisée T60D/C code ) E Appareillage électrique contenant aussi l'unité de conditionnement des signaux et de conversion A/C (uniquement version computerisée T60D/C code ) PC Ordinateur de bureau (uniquement version computerisée T60D/C code pas fourni) Cod. R00553/F 0314 Ed. 01 Rev. 02 A n'importe quel moment et sans préavis, la Société Didacta Italia pourra apporter, en tenant les caractéristiques essentielles décrites aux propres produits, les modifications les plus opportunes, selon les exigences de caractère constructif ou didactique. Page 6

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