TRAITEMENT DES SURFACES INTERIEURES D’UNE CUVE DE STOCKAGE D’UN CHAUFFE EAU SOLAIRE ALGERIEN

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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TRAITEMENT DES SURFACES INTERIEURES D’UNE CUVE DE STOCKAGE D’UN CHAUFFE EAU SOLAIRE ALGERIEN

CHIKHI Mourad ¹, SELLAMI Rabah ¹ et Merzouk Kasbadji Nachida ¹

1: Unité de Développement des Equipements Solaires UDES, Route Nationale N°11 BP 386, Bou-Ismail, 42415, Wilaya Tipaza, Algerie

chikhimourad06@yahoo.fr; sellamirabah70@yahoo.fr;

Résumé :

Les ballons servant à stocker et alimenter en eau chaude les équipements individuels ou collectifs d’un chauffe eau solaire sont généralement fabriqués à partir d'une coque en acier, recouverte d'un matériau isolant.

La surface interne doit être traitée de façon à résister à la corrosion car l'eau chaude domestique contient des impuretés et des produits de traitement agressifs vis-à-vis de l'acier, d'autant plus que la température est maintenue à un niveau élevé afin d'être distribuée à environ 65°C. Non seulement l'installation se détériore, ce qui est un problème en soi, mais aussi la corrosion favorise l'encrassement biologique par le développement bactérien sur la paroi intérieure. Il est bien évident que la production d'eau chaude, destinée notamment à un usage alimentaire, ne peut être soumise à ce genre d'aléas.

Après une étude théorique et expérimentale, on a opté pour les peintures epoxy qui offrent des propriétés répondant aux conditions demandées. Le but de ce travail est de déterminer par une étude numérique en utilisant le logiciel Comsol Multyphysics l’épaisseur optimale du revêtement qui garantie à la fois la protection contre la corrosion et un meilleur flux thermique pour un rendement maximal à long terme.

Mots clés : chauffe eau solaire, traitement de surface, corrosion, Comsol Multyphisics.

Introduction

Pour lutter contre la corrosion, on a recours à un traitement consistant à déposer une matière protectrice sur la surface interne de la coque d'acier en contact avec le liquide. Le matériau déposé doit être choisi de telle sorte que son coefficient de dilatation soit voisin de celui de l'acier afin que la couche de protection reste solidaire de la coque en acier lors des variations de température du système. [1]

Définition de la Cuve de Stockage

Le ballon de stockage ou réservoir de stockage permet d’accumuler des calories solaires transmises par le capteur via un échangeur de chaleur. Il se compose d’une cuve, d’une isolation, d’un échangeur de chaleur, d’une entrée d’eau froide et d’une sortie d’eau chaude. Le type de matériau composant la cuve est primordial vis-à-vis des pertes de chaleur, de la longévité et de l’entretien. Le plus adéquat est l’acier inoxydable. Il réduit les pertes de chaleur par conduction entre la partie supérieure (chaude) et inférieure (froide) de la cuve.

En outre, sans nécessité d’entretien, il offre d’excellentes garanties face aux problèmes de corrosion. Enfin, il est important que la distance aux points de puisage de l’eau soit la plus courte possible pour éviter les pertes thermiques dans les canalisations qui doivent être calorifugées. [2]

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 39 Figure 1: la cuve de stockage avec échangeur de chaleur en jaquette

Température de l’utilisation d’eau chaude

L’eau chaude est produite et stockée entre 45 et 80°C (souvent à 60°C).

 Elle ne doit pas être distribuée à plus de 60°C pour éviter l’entartage et les brulures.

 En cuisine professionnelle, buanderies ou laverie, elle peut être stockée et distribuée jusqu’à 90°C maximum, mais il faut alors la signaler.

Pour économiser l’énergie, l’eau chaude (en collectivités notamment) est souvent distribuée, voir produite à des températures proche de 40°C. Or les Légionella se développent dans une eau stagnante entre 25 et 42°C.

Une température supérieure à 50°C en tout point de l’installation de production et de distribution d’eau chaude est donc nécessaire face au risque de légionellose.

Matériaux de fabrications

Le matériau utilisé pour la fabrication des cuves de stockage de l’eau chaude est l’acier ordinaire E 24 largement utilisée dans l’industrie. Il possède des bonnes propriétés mécaniques et une bonne soudabilité (voir tableau 1). Néanmoins sa résistance à la corrosion est faible c’est pour cette raison on a opté pour un revêtement résistant à la corrosion mais surtout il est de grade alimentaire.

Revêtement Anticorrosion

La peinture choisit doit répondre à des critères bien déterminés [3, 4]. Nous citons à titre d’exemple : Entré eau

froide Sortie

eau

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 40 o Résistance à la corrosion.

o Résistance à la température à long terme.

o Résistance chimique tel que l’eau chlorée.

o Disponible localement.

o Bonne adhérence avec le substrat.

o Facile a appliquée.

o Elle doit être de grade alimentaire (minimise le développement des bactéries).

Matériaux Utilisés

Il faut cependant respecter certaines règles de base : 1) Utiliser une préparation de surface adaptée,

2) Utiliser une peinture dont la formulation soit adaptée à l’application sur de l’acier.

Tenant compte de la recherche bibliographique, on a choisit des peintures en époxy qui contiennent des agents anticorrosion. [5]

Le tableau 1 présente les propriétés physiques de la cuve de stockage et de la peinture époxy utilisée comme revêtement sur la surface intérieure de la cuve de stockage d’un chauffe eau solaire.

Tableau 1 - Propriétés physiques de la cuve de stockage et du revêtement par époxy

Données de la cuve Propriétés de l’acier E24 Propriétés physique de l’époxy Volume dans la cuve

[m³]

0.16 Conductivité thermique K

(W/m. K) 54 Densité [kg/m3] 2250

Volume de la cuve autour de jaquette

[m³]

0.114 Diffusivité thermique (m².s^-1) x 106

14.7 Conductivité thermique [W/m°K]

0.19-0.24

Longueur de la cuve [m]

0.972 Module d’Young (kN/mm²)

212 Cp [J/Kg°K] 1000-1300

Diamètre de la cuve [m]

0.45 Résistivité électrique (µΩ. m)

0.19

Épaisseur de la cuve [m]

0.002

Etude numérique du flux de chaleur à travers le revêtement en Epoxy

L’étude numérique est réalisée par le logiciel Comsol Multyphisics, elle est pour but de choisir une épaisseur du revêtement anticorrosion qui garantie le transfert thermique entre l’eau chaude existante dans l’échangeur et l’eau froide emmagasinée dans la cuve de stockage. Les distributions des températures dans la cuve sont mentionnées en dessous (voir les figures 2, 3,4 et 5).

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 41 Figure 2 : Distribution de la température à travers la cuve de stockage pour un revêtement en epoxy

d’épaisseur de 0.5mm

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d’épaisseur de 1 mm

Figure 4 : Distribution de la température à travers la cuve de stockage pour un revêtement en epoxy d’épaisseur de 1.5 mm

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d’épaisseur de 2 mm

4 Résultats et interprétations

La figure 6 présente le flux de chaleur qui traverse la surface interne de la cuve revêtue d’une couche d’époxy anticorrosion à différents épaisseurs.

Les résultats montrent que l’épaisseur 0.5mm du revêtement par époxy assure un meilleur flux de chaleur, donc un meilleur rendement du chauffe eau solaire.

Figure 6. Evolution du flux de chaleur en fonction de l’épaisseur du revêtement en Epoxy.

5 Conclusion

Les performances des revêtements époxy appliqués dans les surfaces intérieures de la cuve de stockage d’un chauffe eau solaire sont étudiées numériquement en utilisant le logiciel Comsol Multyphysics.

Les résultats de la simulation numérique montrent que le flux de chaleur diminue en augmentant l’épaisseur du revêtement. Donc, l’épaisseur de 0.5 mm offre le flux de chaleur maximum en assurant son rôle principal qui est la protection contre la corrosion.

Les résultats obtenus dans cette étude seront validés expérimentalement.

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Références

[1]. A Short introduction to corrosion and its control, corrosion in the metals and its prevention, National Corrosion Service, NPL, 2003. PP. 1-9, disponible sur: http://www.npl.co.uk/lmm/docs/_ basic_ of_

corrosion_control .pdf

[2] A. Carrillo Andrés, J. M. Cejido Lopez; TRANSYS model of a thermosiphon solar domestic water heater with a horizontal store and mantle heat exchanger; Solar Energy, Volume 72; Issue 2, P 89-98; 2002.

[3] Suzanne Joiret, Claude Deslouis Michel Keddam. Les polymères conducteurs dans la lutte anti-corrosion.

Lettre des sciences chimiques, N° 69. Février- Juillet, 1999. PP.1-4.

[4]. R. HUDSON. Coating for the protection of structural steel work. NPL, 2003. PP.1-7, disponible sur : http://www.npl.co.uk/ncs/docs/steelwork.pdf.

[5] Entreprise Nationale Algérienne des Peintures (ENAP)