2023-S1 Groupe 5¶
Table des matières - Projet Chauffe-Eau Solaire:¶
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- 2023-S1 Groupe 5
I- Introduction¶
Notre idée vient à la base de notre DU énergie, mon camarade et moi faisions cette AOP au premier semestre où notre projet était de faire un chauffe eau solaire (alimentaire) qui avait pour but de chauffer 1⁄2 litre d’eau à 55 degrés. Nous avons gardé l’idée principale qui était de chauffer de l’eau et nous avons choisi comme but de chauffer l’eau d’une piscine.
La piscine étant un gros volume d’eau, afin de pouvoir chauffer un maximum d’eau le meilleur moyen est de chauffer légèrement un grand volume d’eau d’un coup .
Pour répondre à cette spécificité nous utilisons un volume d’eau conséquent étalé sur une grande surface de chauffe qui va chauffer le plus d’eau possible en une fois de quelques degré.
exemple de chauffe-eau solaire
II- Idée détaillée¶
2.1 Spécifier le besoin¶
Cahier des charges :
Il faut un chauffe eau solaire:- capable de chauffer une piscine de 40 m3
- compact pour être rangé rapidement par mauvais temps
- permettant de faire passer la température de la piscine de 20°C à 30°C
- fabricable à moindre coûts (qui n'est pas forcément en rivalité avec les chauffe-eau solaires à plus haut rendement)
chauffe-eau solaire à haut rendement
2.2 Recherches¶
Pour nos recherches nous avons pu voir que le projet que nous faisions était possible à atteindre, de nombreuse vidéos Youtube montre des DIY de ce type de système mais pas forcément pour des grandes piscines mais plutôt des piscines pour enfants. Pour avoir plus d'informations, nous sommes donc allés parler aux techniciens GMP qui eux aussi ont eu ce genre de problématique à traiter pour leur piscine personnelle.
Entretien avec les techniciens du département GMP et Prise de connaissance de l'existant:- Surface(1m²) trop faible pour réchauffer une piscine, en termes de capacité et de puissance de chauffe(adapté pour les jacuzzi)
- Amélioration du rendement grâce à l'inertie du matériau, très haute inertie pour les matériaux de grande masse, sable, béton pierre...
- Solution de l'échangeur thermique
- Solution des tuyaux en verre avec mercure(très cher, polluant)
- Nécessité d'électronique pour commander la circulation de l'eau lorsqu'elle est assez chaude
Autrement dit, il nous a été conseillé de réaliser un système de grande surface pour une plus grande capacité d'eau et une plus grande puissance de chauffe, par ailleurs l'irradiance en W/m2 peut être consultée en temps réel sur windy.com. De plus il nous a été conseillé de nous servir de matériaux de grande masse de manière à ce que la chaleur sans que la chauffe qui se fait du côté soleil soit perdue par conduction dans le sol ou bien que le système ne bénéficie pas d'une énergie "de départ" de conduction du côté du sol. Car en effet l'énergie accumulée pendant des heures auparavant peut être d'une grande efficacité. Par la suite, nous avons demandé comment pourrions réaliser un système qui permette d'éviter que du plastique ou toute autre matière ne se retrouve dans l'eau de la piscine. Solution à cela: l'échangeur thermique, il nous ouvre plusieurs voies à la fois, tout d'abord pour réaliser un système qui peut être fait dans les matière de notre choix d'un côté et donc moins cher, en utilisant du pvc ou autres plastiques non-alimentaires, deuxièmement pour réaliser un système à plus haut rendement
Nous ne retiendrons pas l'idée de grande masse dans le système en lui-même, pour des raisons budgétaires et d'utilité réelle car nous souhaitons que notre système soit suffisamment performant sans bénéficier forcément d'énergie supplémentaire, ça serait plutôt une indication à spécifier dans la notice du produit final. Nous avons pensé à faire un échangeur thermique mais au vu de la finesse des bâches que nous avions en tête d'acheter, nous avons pensé qu'il n'était pas très convenable pour nous de risquer de libérer du fluide caloporteur dans l'environnement en cas de fuite.
ECHANGEUR THERMIQUE
recherche de l'existant: chauffe-eau solaire onéreux ............. recherche de l'existant : route chauffe piscine, tuyaux sous route avec fluide caloporteur
2.3 Analyse fonctionnelle diagrammes¶
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| bête à cornes | Diagramme Pieuvre |
Il y a une nécessité de respecter en priorité, les contraintes d'adaptation: s'adapter aux baigneurs, s'adapter à la piscine, s'adapter à l'eau salée/chlorée, s'adapter au soleil. Pour ce qui est des deux contraintes d'adaptation: s'adapter au propriétaire de la piscine et s'adapter au sol, on considère en premier temps que le propriétaire c'est nous et que nous connaissons le produit et comment il doit être utilisé, et aussi que s'adapter au sol est une amélioration qui vient bien après la conception du système de chauffe-eau solaire et qu'il ne nous faut pas nous concentrer là-dessus pour l'instant.
2.4 Préconception¶
Nomenclature non-dimensionnée:
Bâche
Pompe
Tuyau
-Etant donné que le chauffe-eau doit chauffer un grand volume, il est nécessaire qu’il ait une grande surface afin de chauffer tout ce grand volume.
Pour y répondre nous avons pris un matériau dont sont prix au m2 est faible, afin d’avoir une grande surface utilisable pour pas chère.
Pour classer les prix nous avons fait un tableau numérique classant les matériaux par prix pour choisir les matériaux et les solutions les moins chère.
Premièrement notre choix s’est tourné vers une gaine plastique mais après nous nous sommes intéressé au bâches.
Notre choix s'est porté vers les bâches car leur prix au m² n’était pas cher.
Après nous avons classé les bâches dans un tableau afin de définir la meilleur parmi plusieurs critère donc le prix au m², la résistance, l’épaisseur, la température de fonte, le matériaux.
Cependant les bâches ne sont pas un moyen de conduire l’eau.
Pour y remédier nous avons pour but de les souder entre elles pour créer des canaux pour y laisser passer de l'eau, et pour cela il faut les rendre parfaitement étanches.
De plus, une des contraintes du cahier des charges est la suivante, que le chauffe-eau soit flexible et rapidement rangeable.
Pour répondre à cette exigence nous avons fait une chauffe-eau solaire en bâche afin qu’il soit pliable/enroulable rapidement afin d'être rangé.
Le fait de créer des canaux va rendre plus résistant le système avec plus de surface collée pour atténuer les efforts dus à la pression de l'eau parcourant les canaux, et en plus cela permet d'avoir moins d'eau à chauffer pour une chauffe plus rapide.
Panneau avec bâches collées
Système global
III- Dimensionnement¶
3.1 Bâche¶
Pour trouver la bâche la plus adaptée, nous avons fait face à plusieurs obstacles. En effet, il y a le fait que la bâche doit être résistante au sel et au chlore, elle doit être saine au cas où l'eau serait bue sans faire exprès, de plus elle doit être facilement soudable. Forcément le matériau est le plastique pour des raisons de budget et de bon effet de serre.
Resistance au sel au chlore :
*Les matériaux plastiques sont :
Facilement soudable:
*Les matériaux et moyens de soudure correspondants:
-PVC =======> Colle PVC
-PE =======> Soudure à chaud, Colle PVC
-PC =======> Soudure à chaud, Colle PVC
La colle pvc en question qui permet de coller les bâches avec étanchéité et durabilité: COLLE PVC SOUPLE TRUFFAUT
Dimensionnement excel, fichier à retrouver: Excel-dimensionnement-chauffe-eau-solaire.xlsx
A partir de cette feuille Excel nous pouvons estimer la surface de panneau qu'il nous faudrait pour élever la température d'une piscine qui fait 50 m3, de 5°C. Pour cela nous avons utilisé la formule comportant la capacité calorifique de l'eau, la différence de température et la masse de l'eau à chauffer. Nous avons fait nos calculs avec l'hypothèse que la surface des panneau est égale à la surface de l'eau chauffée, et nous avons trouvé une surface de 50 m² pour chauffer 50 m3 d'eau.
Nous avons aussi fait une estimation très arbitraire juste pour nous conforter dans l'idée qu'une bâche de 7 microns pouvait résister en traction à une bâche remplie de 20 kg d'eau. Ce qui parait difficile à croire au premier abord mais qui est en fait possible étant donné qu'on obtient une résistance en traction de 10 MPa qui est bien inférieure à la résistance élastique du matériau.
Remarque: 1370 W/m2 correspond à l'irradiance moyenne et n'est pas forcément représentative selon la météo où le système peut être utilisé.
3.2 Raccords + Pompe¶
Pour mettre en place plusieurs panneaux connectés, nous avons d'abord eu l'idée de le coller et de réaliser une forme qui rendrait plus étanche le raccord en dents circulaires très prononcées. Puis, après quelques recherches nous avons trouvé un raccord qui se faisait déjà et nous avons récupérer le fichier .stl de modélisation 3D et l'avons adapté aux diamètre de tuyau assez générique, et nous avons rajouté un peu de surplus de matière pour assurer un encastrement bien serré entre le raccord et le tuyau. Au lieu de Ø20, le raccord a un diamètre de Ø21.
Robinet version 1
Robinet version 2
IV- Réalisation du prototype¶
4.1 Indication prévues d’assemblage¶
1-Assembler les bâches entre elles :
-soudure à air chaud
-fer à souder
-soudeuse plastique(non disponible au Fablab)
Description :
La soudure à air chaud à l’avantage de se faire sans contact direct avec la bâche par principe
Le fer à souder peut être utilisé pour souder des bâches grâce à une astuce soumise par un membre du Fablab qui est de souder la bâche au travers d’une épaisseur de silicone. Par ailleurs le silicone peut résister à 260°
La soudeuse plastique a l’avantage d’être adaptée à ce type de soudure mais pour de grosses soudures, ce n’est pas le plus avantageux à cause du prix de l’appareil.
4.2 Essais et prototypes¶
Fabrication essai 1¶
On soude à l'aide de deux plaque permettant de guider la chaleur vers une zone linéaire
On a essayé de réaliser un prototype avec plusieurs canaux de manière exagérée pour comparer cette version avec une version composée de peu de canaux
Essai 1¶
Résultat: Ce fut un échec pour la bâche composée de beaucoup de canaux du à des fuites, les soudures n'ont pas tenu. Par contre, en essayant le prototype composé d'aucun canaux nous avons pu mesurer le rendement.
On a mesuré la température de l'eau, 25°C environ, avant de la placer sur une table blanche en acier, dehors au soleil avec quelques nuages.
On a mesuré la température de l'eau, 33°C environ, après 68 minutes dans les mêmes conditions, entre 14h28 et 15h36.
Les conditions au moment de l'essai étaient les suivantes, un ciel un peu nuageux, une température ambiante de 25°C selon la météo, et la poche se trouvait sur une table en acier.
Fabrication essai 2¶
Colle PVC flexible
Nous avons récupéré le plastique d'une poche poubelle que nous avons coupé en rectangle
Nous avons étalé la colle aux endroits où nous le voulions
Nous avons collé de manière à ce qu'une sorte de zigzag se forme et que tout soit bien fermé
Nous avons laissé sécher et nous avons attendu 24h que ça sèche
Essai 2¶
Nous avons étalé le panneau sur une table
Nous avons mesuré la température de l'eau en mettant la sonde de température au fond de la bouteille
Dans le canal le plus proche du robinet, nous avons mesuré 33°C avec une température ambiante de 27°C
Dans le canal le deuxième le plus proche du robinet, nous avons mesuré 34°C avec une température ambiante de 27°C
L'irradiance est de 490 W/m² au moment de la mesure de température de l'eau
Remarques: l'eau qui n'avait pas d'odeur particulière, on a trouvé que l'eau sortant du système sentait le pvc, finalement l'échangeur thermique est une nécessité s'il on veut pouvoir protéger les baigneurs de toute intoxication.
Il reste maintenant à analyser ces données sur excel.
V- Notice d'utilisation¶
VI- Conclusion¶
Le projet n'est pas terminé, il reste d'autres prototypes à réaliser pour réussir à mieux coller les bâches, trouver une procédure claire pour réaliser à tout moment le chauffe-eau solaire. Nous nous sommes arrêtés à l'essai 2 qui nous a contraint d'admettre que l'échangeur thermique est une nécessité pour la santé des baigneurs.