Stratification de l'eau

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Messagepar Malognes » Mar Déc 27, 2005 21:57 pm

Qu'est ce que la stratification de l'eau?

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Messagepar p_bricoleur » Mer Déc 28, 2005 16:04 pm

Bonjour,

Généralités physiques

L'eau est un composé dont la densité varie de manière significative selon sa température. Entre 10°C et 100°C, sa densité diminue avec la température.

Lorsque des masses d'eau de températures assez différentes sont mises ensemble dans un contenant calme (dans un lac, une citerne, une cuve, etc.), les masses d'eau de températures différentes se mélangent peu et se disposent les unes par rapport aux autres en fonction de leur densité : les plus denses, donc les plus froides en bas, les plus chaudes au dessus.

Il se forme donc des couches d'eau de différentes températures à différentes hauteurs, d'où le nom de stratification (de strate = couche).

Cela explique les quelques phénomènes bien connus suivants :

1) La stratification empêche un lac exposé au soleil de chauffer vite : la couche d'eau superficielle chauffe au soleil, mais sa densité devient plus haute et elle reste à la surface.
Cela explique que quand on se baigne dans un lac, l'eau est agréable sur environ 1 mètre et beaucoup plus froide dessous.

2) La stratification empêche le gel au fond des lacs : l'eau est la plus dense à 4°C. Le fond des lacs est plein d'eau la plus dense (à 4°C) qui ne gêle pas.
Cette caractéristique permet de maintenir une vie animale (poissons, crustacés, etc.) malgré que la surface des lacs soit gelée sur plusieurs cm.

3) Ce phénomène est bien connu des sous-mariniers qui essaie de dissimuler leurs engins sous une couche plus froide qui ne bouge pas.
Les différences de température perturbent les détecteurs comme les sonars (actifs ou passifs).


Application aux chauffe-eau et chauffage

La stratification est utilisée dans les ballons ou réservoirs d'eau chaude pour séparer l'eau chaude et l'eau froide et donc éviter les mélanges qui ne produisent que de l'eau tiède.

Dans un ballon ECS vertical par exemple, l'eau la plus chaude est la plus légère et se trouve donc en haut du ballon. C'est là que l'ECS est prélevée pour envoi aux robinets.
Par contre, l'eau froide entre par le bas où elle reste, car elle est plus dense.
Donc, en permanence, on a l'eau la plus froide en bas, et l'eau la plus chaude en haut, et entre les deux, une transition froid/chaud assez nette.

En l'absence de chauffage du ballon, lorsque de l'ECS est consommée, la frontière chaud/froid remonte car il y a de plus en plus d'eau froide en bas, et de moins en moins d'eau chaude en haut.
Le gros avantage est là : l'eau chaude reste à température presque constante jusqu'à épuisement.

Quand le chauffage du ballon se met en route (résistance électrique, ou serpentin fossile et/ou solaire), l'apport de chaleur est fait en bas du ballon, dans la partie froide. L'eau réchauffée monte car elle devient moins dense (effet thermo-siphon) et rejoint l'eau chaude en haut du ballon.
La quantité d'eau chaude augmente et la transition froid/chaud descend.


Application au solaire

Un ballon de stockage solaire (qu'il contiennent de l'ECS, de l'eau de chauffage ou de l'eau "morte") ne contient pas toujours assez de calories pour que toute l'eau soit chaude.
Avoir un stockage bien stratifié permet une nette séparation de l'eau chaude et de l'eau froide, et donc de garder l'eau chaude à température utilisable.
Sans stratification, l'eau chaude et l'eau froide se mélangent et on obtient une masse d'eau tiède sans grande utilité.

Exemple : dans un ballon de 400 litres, il est plus utile d'avoir 200 litres d'eau à 10°C (en bas) et 200 litres d'eau à 40°C (en haut), que d'avoir 400 litres d'eau toute à 25°C.


Cordialement
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Messagepar p_bricoleur » Mer Déc 28, 2005 16:34 pm

Rebonjour,

Après une petite explication élémentaire sur la stratification (voir message précédent), il semble important d'être plus pratique et de donner des pistes pour l'améliorer.

Nous avons vu précédemment que des masses d'eau de températures différentes stockées ensemble dans un contenant calme s'organisaient spontanément pour que l'eau la plus froide soit en bas et l'eau chaude en haut.

Mais dans un stockage (solaire ou autre), le "calme" est relatif :
- de l'eau chaude est prélevée en haut du stockage, et de l'eau froide entre par le bas
- des serpentins ou résistances électriques apportent des calories, réchauffent l'eau et la font monter, créant un courant ascendant
- des serpentins peuvent également prendre des calories, refroidissent l'eau et la faisant descendre

Tous ces mouvements créent un brassage de l'eau dans le stockage qui tend à mélanger l'eau chaude et l'eau froide et donc à détruire la stratification (pour obtenir de l'eau tiède).
Ce qui est justement ce que nous voulons éviter.

Lors de la conception des stockages, on étudie la stratification avec soin et on prend en compte les phénomènes suivants :

1) Même sans mouvement, l'eau chaude et l'eau froide sont en contact. Plus petite est la surface de contact, et plus éloignées sont les eaux les plus chaudes et les plus froides, moins il y a d'échanges thermiques entre elles, et mieux c'est.
=> C'est pour cette raison que les stockages sont en général étroits et verticaux.

2) S'il y a des sorties d'eau chaude et entrées d'eau plus froide, ils doivent être faits à la bonne hauteur.
=> La sortie se fait en général au point le plus chaud, tout en haut.
Par contre, la hauteur d'entrée de l'eau entrante devrait se faire à la hauteur où l'eau dans le stockage a la même température (cela évite les mélanges).

3) Les entrées d'eau (froide ou tiède) doivent perturber le moins possible la stratification établie.
=> Une trop grande vitesse et un angle inadapté du jet d'eau entrant créent un tourbillon et donc des mélanges.
On fait entrer l'eau horizontalement (éventuellement via un déflecteur), avec une vitesse faible (on peut utiliser avoir une entrée élargie), et parallèlement aux bords du stockage (pour éviter les effets de "rebond" du jet entrant contre la surface interne)

4) Idem pour les apports et les retraits de calories
Les apports doivent être faits à la bonne hauteur mais ils provoquent des flux de convection normaux dans le réservoir : montée d'eau réchauffée, et descente d'eau refroidie.
=> Si les deux flux coexistent, il faut installer des dispositifs (dits de stratification) pour séparer au maximum ces flux (palettes, cônes, cheminées, tubes, etc.) et stabiliser la stratification.


Cordialement
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Messagepar Malognes » Mer Déc 28, 2005 18:04 pm

Même sans mouvement, l'eau chaude et l'eau froide sont en contact. Plus petite est la surface de contact, et plus éloignées sont les eaux les plus chaudes et les plus froides, moins il y a d'échanges thermiques entre elles, et mieux c'est.
=> C'est pour cette raison que les stockages sont en général étroits et verticaux.


Pour ma part, je n'avais jamais pris en compte ce transfert de chaleur par conduction au sein du stockeur.

On continue d'apprendre tous les jours.

Pour une bonne stratification, il faut un rapport hauteur/diamètre proche de 2. Généralement, on ne trouve dans le commerce que des formes cylindriques.

Est-ce qu'un réservoir de 2 m de long x 0.75 m de large x 1.5 m de haut à un bon rapport de stratification pour un volume de 2250 litres?

Qu'en pensez-vous?

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Messagepar p_bricoleur » Jeu Déc 29, 2005 15:19 pm

Bonjour,

1m50 c'est déjà une hauteur correcte (la plupart des ballons électriques de 150 ou 200 litres ne sont pas plus haut).
Le critère d'éloignement du chaud et du froid est satisfait.

Par contre, la surface au sol est étendue, cela induit 2 inconvénients :

- surface d'échange chaud/froid plus étendue (c'est moins bien, mais ça marche)

- difficulté à répartir horizontalement la stratification : en effet, si les apports et les retraits caloriques sont mal répartis sur la surface de 2m x 0,75m (par exemple, si un échangeur n'occupe pas toute la surface) la stratification ne sera pas identique partout.

Cela est dû au fait que les différences de densités de l'eau chaude et froide induisent des courants de convection verticaux (c'est la gravité qui travaille).
Par contre, les mouvements horizontaux sont beaucoup plus faibles car résultants des mouvements verticaux. Donc une masse d'eau chaude à gauche d'un stockage et une masse d'eau froide à droite du même stockage vont se stratifier chacune verticalement assez rapidement, mais ne se mélangeront que très peu.
Bien sûr, une petite couche d'eau froide va progressivement se glisser sous le côté chaud, et l'inverse côté froid, mais la surface de stratification restera proche de la verticale.

Selon l'usage et la conception du stockage, cela peut être ou non un inconvénient : cela dépend des entrées et sorties d'eau, et des échangeurs présents dans le stockage.

Plus d'informations sur l'usage exacte du stockage (mouvements d'eau, apports et retraits de chaleur, etc.) sont nécessaires pour étudier la stratification & les précautions à prendre.


Par contre, attention à la taille du stockage.
Un stockage plus grand parait un atout dans tous les cas.
Mais :

- il y a dilution des calories dans le volume si la stratification n'est pas bonne, donc moins d'eau chaude et plus d'eau tiède

- les pertes augmentent avec la surface extérieure du stockage. Bien sûr, elles n'augmentent qu'au carré de la taille du stockage, alors que le volume augmente au cube, mais il faut prendre garde à la puissance perdue qui vient en soustraction de la puissance solaire.
=> Faire très attention à l'isolation du stockage, et bien penser à isoler le fond (pas si facile)

Je me souviens d'une étude sur les systèmes de chauffage solaire (SSC) qui concluait qu'au delà d'un volume de 800 litres d'eau de chauffage bien stratifiée, le gain en couverture solaire apporté par le volume de stockage supplémentaire était faible.


Cordialement
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Messagepar Malognes » Jeu Déc 29, 2005 22:16 pm

Dans le stockeur, il y aura 3 serpentins qui devront prendre toute la surface, et vu le mètrage de ceux-ci, sur une certaine hauteur.

Un serpentin solaire coiffé d'un cône-cheminée.

Pour le chauffage, un serpentin où passera le retour chauffage ou prise d'eau chaude du stockeur pour alimenter un échangeur à plaques ou contre flux du retour chauffage avec réinjection dans le stockeur.

Un serpentin eau chaude sanitaire.

Pour le volume, cela sera fonction de la surface des capteurs.

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Messagepar caillou » Ven Déc 30, 2005 19:40 pm

j'ai exactement le même projet, mais je me pose la question en quoi le cône devra être fait ? L'idéal est d'avoir 2 cônes inversés, non ?
serpentin solaire en bas, serpentin chauffage (apport ou retrait) en haut, et serpentin ECS sur toute la hauteur

mon ballon est un tank à lait cylindrique de 1200mm de diamètre sur 2200 de haut environ.

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Messagepar p_bricoleur » Mer Jan 04, 2006 15:35 pm

Bonjour

Matière des dispositifs de stratification
La matière des dispositifs de stratification importe peu, à condition d'être non oxydable et compatible avec la matière du stockage.

Un cône avec cheminée pour canaliser le flux réchauffé est performant mais assez difficile à réaliser, à moins d'avoir des capacités de chaudronnier.
Il faut également penser qu'il faut fixer ces dispositifs dans le stockage de manière pérenne.

Un dispositif minimal mais qui améliore énormément la stratification est un plan oblique qui déflecte le flux montant d'un côté et le flux descendant de l'autre, leur évitant de se mélanger.
C'est sans doute le plus facile à auto-fabriquer dans un 1er temps.

Double cône ?
Si on met 2 cônes reliés par une cheminée, le flux réchauffé par le serpentin solaire monte dans la cheminée et est bien au contact du serpentin (ECS par exemple), mais comment descend l'eau refroidie ?

C'est pour cela que l'on préconise des trous dans la cheminée pour que l'eau réchauffée diffuse à la hauteur de la strate de sa température.
S'il n'y a pas de trous, l'effet thermosiphon en bas pousse l'eau vers le haut et elle ne peut sortir qu'en haut de la cheminée, alors que sa température qui est peut être insuffisante va endommager la stratification existante.

Serpentin qui prend et qui donne ?
Concevoir une stratification efficace pour un serpentin qui tantôt chauffe, tantôt refroidit n'est pas très facile.
Les questions à se poser :
- à quelles températures est l'eau qui circule dans le serpentin dans les 2 cas ?
- à quelle hauteur faut-il mettre ce serpentin pour ne pas trop déranger la stratification ?
- arrive t-on à un dispositif globalement efficace ou cette double fonction dérange t-elle plus qu'elle n'amène ?

Question sur la question : puisqu'il n'y a pas de réserve ECS dans le stockage (juste un serpentin qui je pense est insuffisant pour chauffer de l'eau en ligne), pourquoi chauffer le stockage avec la chaudière ?
Puisqu'il existe forcément un ballon ECS ailleurs (où se fait l'appoint fossile), le passage dans le serpentin ECS au pire tiédit l'ECS avant d'entrer dans le ballon fossile, au mieux le réchauffe assez.


Cordialement
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Messagepar Bernard (Lyon) » Jeu Fév 02, 2006 23:12 pm

Bonjour P_Bricoleur de Rueil-Malmaison (où, il y a longtemps, ma scolarité m'a poursuivie plus que je ne l'ai suivie)

Il est décrit sur le site ci-dessous, l'idée consistant à injecter l'eau à la bonne hauteur en fonction de sa température d'arrivée ce qui permet de respecter la stratification du réservoir

http://kheops.champs.cstb.fr/dddsm/Docu ... rI0097.pdf

Cela nécessite l'usage d'un échangeur à plaque et quelques électro-vannes.

Il est fait mention d'un ballon à double enveloppe.
Des précisions ici :

http://www.fst.ac.ma/fier/17.PDF#search='l.kenjo%20CSTB

Cela permet de comprendre comment est construit ce ballon.
En fait il respecte une double stratification verticale et horizontale, pour conserver au centre le maximum d'eau chaude.

Cette technique me fait penser au montage simplissime, mais génial, de CyberLionel qui a mis au bain-marie son réservoir d'eau sanitaire

Bonne lecture

Bernard (Lyon)

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Messagepar Bernard (Lyon) » Ven Fév 03, 2006 23:30 pm

Bonjour aux membres du forum

Je vais essayer de préciser ma conception du réservoir d'eau morte tel que je le conçois aujourd'hui.
Gabriel Gourdon, que je salue cordialement, à très bien décrit comment, avec des panneaux rigides de mousses isolantes, on peut édifier un réservoir de 1500 litres, de section rectangulaire ou carré, consolidé avec une armature bois-métal. L'étanchéité intérieure est assurée par un revêtement classique de résine polyester et gel-coat.
L'installation qu'il décrivait est complétée de résistances électriques pour bénéficier des tarifs EDF au meilleur prix la nuit.
J'y ajouterai cependant les deux dispositifs internes suivants :
- un double fond de 100 litres recevant les eaux chaudes d'une baignoire située à l'étage
- et, plutôt qu'une cheminée conique centrale, je construirais à l'inverse, un cône central s'évasant rapidement en double coque interne à 10 cm de la coque étanche. Cette cloison périphérique, ajourée de fentes, reçevra les 3 serpentins : solaire, chauffage, eau-chaude sanitaire.
Le serpentin solaire est le plus bas possible, et le cône central ne présente pas de fentes de communication avec le stock central d'eau chaude.
Les échanges caloriques entre les serpentins (apports comme ponctions) se feront sur la périphérie verticale. Des échanges perturbateurs se feront dans cette zone verticale selon des courants rapides de convection car ils suivent les fortes différences de gravités entre les eaux chaudes et froides. Dans un second temps, des échanges plus lents se feront horizontalement en suivant les gradients de température à travers les fentes de la double cloison.
L'avantage c'est d'avoir un stock central d'eau chaude peu sollicité par les échanges verticaux, et s'ils se font, c'est lentement à l'horizontal en suivant la même strate de température.
De plus à terme, le stock central est préservé sur tout son pourtour du refroidissement extérieur par de l'eau tiède, lorsque les échanges solaires s'arrètent. Cela ne peut que minimiser les pertes caloriques de l'ensemble puisque la différence de température avec l'extérieur du réservoir est moindre, surtout si le réservoir est placé dans une chaufferie isolée.

Qu'en pensez-vous ?

Bernard Chavanet (Lyon)

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Messagepar kroutchef » Sam Fév 04, 2006 17:18 pm

Les solutions les plus simples possible s'avèrent souvent les plus perennes...
L'idée d'une "double parois" pour isoler les échanges et eviter au stockage les perturbations semble bonne mais plutôt difficile à réaliser...
Dans mon projet je coiffe simplement le serpentin d'un tube PVC en 100mm X 1m coupe en bas en 4 sur 30/40cm et ecarté à 45° lui même recoiffé d'un second dispositif identique mais aussi coupé en long pour l'emboiter dans le premier cela donne une "fleur" avec 8 petalles et une tige trouée régulièrement sur la partie haute(trous de 25mm), cela devrait suffire à guider la plupart des effluves chaudes qui se dispatcherons suivant les strates par les trous...sans pour autant provoquer de cassure de stratification.
Qu'en pensez vous ?
Amitiés ensoleillées ...
Alain R. (Albi)
"Ne quid nimis, sol lucet omnibus !"
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Messagepar Malognes » Sam Fév 04, 2006 18:52 pm

Bonjour,

Pour Bernard,

Je ne mettrais pas de double fond pour récupérer les eaux grise de la baignoire pour en récupérer la chaleur. Cela risquerais de refroidir le fond du réservoir. Mais tu peux vider ta baignoire dans un autre réservoir équipé d'un serpentin pour en récupérer la chaleur pour le préchauffage de l'eau chaude sanitaire. Température de l'eau lors d'un puisage ultérieur, encombrement, rentabilité!!!

Pourrais-tu faire un dessin pour être plus explicite? Merci.

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Messagepar Malognes » Sam Fév 04, 2006 19:09 pm

[quote="kroutchef"]
Dans mon projet je coiffe simplement le serpentin d'un tube PVC en 100mm X 1m coupe en bas en 4 sur 30/40cm et ecarté à 45° lui même recoiffé d'un second dispositif identique mais aussi coupé en long pour l'emboiter dans le premier cela donne une "fleur" avec 8 petalles et une tige trouée régulièrement sur la partie haute(trous de 25mm), cela devrait suffire à guider la plupart des effluves chaudes qui se dispatcherons suivant les strates par les trous...sans pour autant provoquer de cassure de stratification.
[/quote]

Ne faut-il pas recouvrir à 100% le serpentin solaire par un cône. Et je mettrais au cône des côtés de la hauteur du serpentin pour avoir un bon échange de température (tirage).
Pour la tige trouée : ok.

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Messagepar Bernard (Lyon) » Dim Fév 05, 2006 0:29 am

Bonsoir Malogne,
j'espère que le croquis dessiné sur Word parviendra sans encombre.

Le double fond, isolé du sol, et faisant partie intégrante du réservoir d'eau morte, devrait céder les calories des eaux chaudes issues de la baignoire vers le haut = partie basse et froide du réservoir.

Bernard Chavanet (Lyon)
Fichiers joints
sch?ma r?servoir double enveloppes.doc
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Messagepar Malognes » Dim Fév 05, 2006 18:26 pm

Un petit dessin vaut mieux qu'un long discours.

Pour la récupération de l'eau de baignoire, en double fond, je ne suis par pour. Pourquoi? Tu amènes 100 litres d'eau grise à max 35°C, le fond du stockeur est à 20°. Pour aller de 35° à 20°, tu vas lui transmettre 1.74 Kw par conduction. Si ton fond est à 35° = équilibre. Si ton fond est à 45°, tu vas le refroidir par conduction. Préchauffe plutôt, ton ECS dans un autre réservoir de 100 litres. Car si tu n'as pas de soleil, cela sera plus rentable économiquement : ton ECS sera préchauffée.

Tu réchauffes ton stockeur par l'extérieur mais les parois sont plus froides qu'au centre. Pour alimenter le serpentin solaire en eau "de convection dite froide", il faudrait ouvrir la base de ton cône.

Je vais faire le contaire le cône central qui va amener l'eau chaude dans la zone la plus chaude et l'eau "de retour plus froide" sur l'extérieur qui est une zone de perte de calories.

Tu places le serpenbtin ECS à l'extérieur en haut, je placerais le serpentin sur toute la hauteur et dans toute le volume d'eau. Ton eau froide arrive à 10°, elle a besoin d'être réchauffée dans le bas du réservoir pour commencer avant d'aller chercher de l'eau de plus en plus chaude au dessus.
Idem pour le chauffage.

Il y a des mètres de serpentins à mettre dans le stockeur.

Si j'ai du courage ce soir, je ferai un dessin.

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