Théorie Climatisation de Confort Définitions et Caractéristiques Air SEC / Air Humide Le Diagramme de l’Air Humide Psychrométrie – Air Humide L’air atmosphérique qui nous entoure est constitué : - d’air sec, - de vapeur d’eau généralement invisible, - de bactéries et poussières (hors étude ici !) On parle alors d’air humide. Les évolutions de l’air humide conditionnent la vie animale et végétale : le bois, le textile, le papier, les matériaux, l’être humain, … subissent l’influence de l’humidité de l’air. De plus, les propriétés physiques, dimensionnelles, mécaniques et chimiques de nombreux corps varient en fonction de l’humidité de l’air avec lequel ils sont en contact. 1) DEFINITIONS : 1.1) CONDITIONS NORMALES DE TEMPERATURE ET DE PRESSION CNTP : On définit les conditions normales de température et de pression comme suit : 0 = 0°C = + 273,15 K p0 = 101325 Pa 1.2) MASSE MOLAIRE D’UN CORPS : C’est la masse d’une mole d’un corps Relation : Symbole : M ; Unité : g/mol avec 1.3) VOLUME MOLAIRE D’UN CORPS : C’est le volume d’une mole de ce corps. Pour tous les gaz et dans les CNTP : 1.4) m = masse totale du corps en g n = nombre de moles en mol Mair = 29 g/mol Meau = 18 g/mol Symbole : Vm ; Unité : m3 ou litres/mol Vm = 22,4 litres/mol GAZ PARFAITS : Aucun gaz n’est parfait, l’état parfait est un état que l’on peut concevoir mais non réaliser. Toutefois les gaz réels se rapprochent d’autant plus de l’état parfait que leur pression est plus faible et que leur température est éloignée de leurs conditions de liquéfaction. Dans les circonstances habituelles, les gaz réels sont très proches de l’état parfait. Tout au long de ce chapitre, nous considérerons l’air sec, la vapeur d’eau et l’air humide comme des gaz parfaits et répondant à l’équation caractéristique des gaz parfaits : Relation : Module EE.1.2 P V mr T ou P V nR T Page 1 Formation des enseignants 2) L’AIR SEC : La composition de l’air fut déterminée, pour la première fois, en 1774 par le chimiste français LAVOISIER. Il trouva que l’air contenait en volume : - 4/5ième d’un gaz n’entretenant pas la vie animale et qu’il nomma « azote » - 1/5ième d’un gaz qui rallumait une bougie dont la mèche ne présentait plus qu’un point rouge et qui activait les fonctions vitales d’un oiseau. Il nomma ce gaz « air éminemment respirable », puis « air vital » et enfin « oxygène » Des mesures très précises effectuées par le physicien français Georges CLAUDE ont montré que l’air sec était, en fait, composé de : (proportions volumiques) 20,99 % d’O2 78,03 % de N2 0,03 % de CO2 0,95 % de gaz rares (argon, néon, hélium, krypton, hydrogène, xénon, ozone, radon) L’air sec ne contient pas la moindre trace d’humidité ! Dans l’étude des traitements artificiels que l’on fera subir à l’air atmosphérique, la masse d’air sec sera pris en référence car elle est, par définition, invariable. 3) LA VAPEUR D’EAU : L’air atmosphérique contient une quantité non négligeable de vapeur d’eau, variable selon la température de l’air. La connaissance de sa masse ou de sa pression partielle permettra de définir la quantité d’H2O qu’il faudra enlever ou rajouter à l’ambiance afin d’atteindre les conditions souhaitées. Généralement invisible, cette vapeur d’eau peut se retrouver sous forme liquide (condensation) voire sous forme solide dans certaines conditions extrêmes de température obtenues, mais non souhaitées, lors de traitements divers. 4) L’AIR ATMOSPHERIQUE ET CONDITIONS D’AMBIANCE : Il représente le mélange d’air sec et de vapeur d’eau. En termes de pression, la valeur de la pression atmosphérique est égale à la somme des pressions partielles de chacun d’eux. Définir des conditions d’ambiance en vue de climatiser ou de maintenir l’air ambiant dans des conditions bien particulières, ne pourra pas se décrire uniquement par la valeur de la température. En général, les CCTP rajoutent la valeur de l’hygrométrie ambiante souhaitée. Nous verrons que chaque destination de locaux (bureaux, ateliers, ….) dispose de ses propres valeurs (T et HR), bases d’études de tous les projets. Remarque : volumique La masse d’air humide est donc variable du fait de la présence, en plus ou moins grande quantité, de vapeur d’eau. On dit alors que le débit massique d’air humide est variable alors que le débit lui, reste constant. Module EE.1.2 Page 2 5) DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES DE L’AIR SEC ET DE LA VAPEUR D’EAU : AIR SEC VAPEUR D’EAU MASSE VOLUMIQUE : Définition : Symbole : Relation : C’est la masse de l’unité de volume de ce corps as; Unité : kgas/m3 as mas V as Définition : Symbole : Relation : C’est la masse de l’unité de volume de ce corps v; Unité : kgv/m3 Pas 287 T v Mas = 0,029 kg/mol R = 8,32 J/mol.K mv V v Pv 462 T vv 462 T Pv MH2O = 0,018 kg/mol R = 8,32 J/mol.K VOLUME MASSIQUE : C’est l’inverse de la masse volumique Symbole : vas ; Unité : m3/kgas Relation : vas 1 as C’est l’inverse de la masse volumique Symbole : vv ; Unité : m3/kgv Relation : vas 287 T Pas vv 1 v PRESSION PARTIELLE : Définition : Pression qu’exerce seul un gaz dans une ambiance constituée de plusieurs Symbole : Pas ; Unité : Pa Relation : Pas 287 T as Module EE.1.2 mas 287 T V Définition : Pression qu’exerce seul un gaz dans une ambiance constituée de plusieurs Symbole : Pv ; Unité : Pa Relation : Pv 462 T v mv 462 T V Page 3 AIR SEC VAPEUR D’EAU ENTHALPIE Définition : Symbole : Origine : Relation : L’enthalpie de l’air sec est la quantité de chaleur totale que contient une masse d’air sec mas lorsqu’elle est à une certaine température « ». Has ; Unité : J ou kJ Si = 0°C Has = 0 kJ Définition : Symbole : Origine : Relation : L’enthalpie de la vapeur d’eau est la quantité de chaleur totale que contient une masse de vapeur d’eau mv lorsqu’elle est à une certaine température « ». Hv ; Unité : J ou kJ Si = 0°C Hv = 0 kJ Has mas cas H v mv Lv mv cv cas 1,007 kJ/kg.C cv 1,86 kJ/kg.C et Lv 2490 - 2,226 kJ/kg.C ENTHALPIE MASSIQUE Unité : kJ/kgas Unité : kJ/kgas Relation : has H as cas mas Relation : hv Hv Lv cv mv Nota : Relation de Cadiergues : Relation de Casari hv 2500,8 1,846 kJ/kg : hv 694,4 0,523 kWh/kg Relation de Porcher Applications 1 et 2 : : hv 2490 1,96 kJ/kg Calculer la masse volumique de l’air sec dans les conditions : CTPN Calculer Masse volumique et Volume massique d’un air sec dans les conditions suivantes : = 20 [°C] Module EE.1.2 et P = 101300 [Pa] Page 4 6) DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES DE L’AIR HUMIDE : PRESSION Loi de Dalton : La pression totale de l’air humide est égale à la somme des pressions partielles de chaque gaz constituant le mélange (ici air sec + vapeur d’eau). On l’appelle aussi pression atmosphérique. Pvs 10 Relation DE CADIERGUES Si -10 °C < . Pvs 10 < 80 °C Pvs 10 Relation DE CADIERGUES : Pvs 10 Courbe de saturation Vapeur d'eau à Pvs 2,7877 31,559 0,1354 + eau liquide Vapeur d'eau 2,7877 7,625 241 Si à cet air humide on continue à apporter de la vapeur d’eau, cet air va refuser de l’incorporer sous forme de vapeur. Il va y avoir condensation instantanée de cette vapeur, l’eau restera en suspension sous forme de gouttelettes Application 3 : Pvs 2,7877 27,952 0,01025 2,7877 9,756 31,559 0,1354 Pas = pression partielle de l’air sec en Pa Pv = pression partielle de vapeur d’eau en Pa Air Saturé A une température donnée, si on augmente mv dans le volume V, Pv augmente aussi jusqu’à une valeur maximale appelée pression partielle ou tension de vapeur saturante notée Pvs ou Pv sat Si : < -10°C : P Pas Pv Air sur saturé ou brouillard On étudie un volume de 10 m3 d’air humide : cet air est à la température de 20°C et contient 3 g d’eau. Calculer PV , PVS et Mv ( masse de vapeur d’eau à injecter pour saturer cet air ) Module EE.1.2 Page 5 MASSE VOLUMIQUE – VOLUME SPECIFIQUE Masse volumique : Symbole : ; Unité : kgah/m3 Relation : Et Volume spécifique : Symbole : v ; Unité : m3 /kgas Relation : m mas mv as v V V Pas Pv 287 T 462 T v P Pas Pv v Plus mv, plus Pv , plus par rapport à as dans les mêmes conditions : on se réfère donc à l’unité de masse d’air sec. C’est pourquoi on ramène les différentes grandeurs de l’air humide à cette unité de masse d’Air Sec : on parle alors de grandeurs spécifiques et les différentes unités sont indicées. V mas 287 T P - Pv HUMIDITE Absolue Relative On parle également d’humidité spécifique ou de teneur en humidité C’est la masse de vapeur d’eau associée à 1 kg d’Air Sec Symbole : r ou w ou x ; Unité : kgeau/kgas On parle également de degré hygrométrique. Elle indique quel pourcentage de vapeur d’eau est contenu dans l’air par rapport à la quantité de vapeur d’eau maximale que l’air saturé pourrait contenir Relation : r mh mas mh P V Pv V et mas as 462 T 287 T d’où r 0,622 Pv P - Pv Symbole : HR ou ou ou ; Unité : % H R 100 Degré de Saturation Il représente le rapport de l’humidité de l’air humide non saturé par rapport à l’humidité absolue de l’air humide saturé à la même température Il ne faut pas confondre Degré de saturation « » et Degré hygrométrique « HR » : < HR Relation : Symbole : ; Unité : [ - ] Application 4 : r rsat On étudie un air humide présentant les caractéristiques suivantes : Température : 15 [°C] Humidité relative : 60 [%] Pression : 101300 [Pa] Calculer le Volume spécifique et l’humidité absolue de cet air Module EE.1.2 Page 6 Pv Pvs TEMPERATURES TEMPERATURE SECHE C’est la température repérée et lue sur un thermomètre ordinaire agité dans l’air, à l’ombre et à l’abri de tout rayonnement On l’appelle aussi température usuelle ou température de bulbe sec. thermique. Symbole : S ou t ou ; Unité : °C TEMPERATURE HUMIDE C’est la température indiquée par un thermomètre ordinaire dont le bulbe est couvert d’une gaze saturée d’eau placé dans un flux d’air suffisamment rapide pour amener sans cesse de l’air frais sur cette mèche de gaze. La couche limite d’air saturé est à une pression de vapeur plus importante que l’air non saturé qui l’entoure : cette différence de pression entraîne une migration de vapeur d’eau de la couche-limite vers la couche d’air non saturé Cette migration de vapeur d’eau entraîne alors une « dé-saturation » de cette couche-limite qui va chercher à se saturer à nouveau. La chaleur de vaporisation nécessaire pour re-saturer la couche-limite est prélevée à l’air, par convection : la couche-limite reste à une température constante appelée température humide s h Symbole : h ; Unité : °C Nota : Pour mesurer à la fois, la température sèche et la température humide de l’air on utilise un Psychromètre : cet appareil est constitué d’un thermomètre à bulbe sec et d’un thermomètre à bulbe humide Ces deux mesures simultanées permettront de déterminer le degré hygrométrique de l’air (appareil utilisé notamment dans les chambres froides) TEMPERATURE DE ROSEE C’est la température à partir de laquelle la vapeur d’eau contenue dans l’air humide commence à se condenser. Au contact d’une paroi froide, l’air humide commence à se condenser et se refroidit. Au cours de ce refroidissement, la masse de vapeur associée à chaque kilogramme d’air sec ne varie pas r reste constante donc Pv reste constante. Symbole : r ou SAT mais également tr ou tSAT ; Unité : °C Air Saturé : s= h = r Module EE.1.2 Page 7 ENTHALPIE L’air humide est un mélange. La chaleur totale du mélange sera la somme des chaleurs des composants du mélange : air sec + vapeur d’eau Dans un cycle de réfrigération ou de climatisation, les transformations ont lieu pratiquement à pression constante. Dans ces conditions, nous pouvons admettre que l’enthalpie de l’air est égale à la chaleur totale. Symbole : H ; Unité :J ou kJ Relation : H Has Hv H mas cas mv Lv mv cv H mas cas mv Lv cv ENTHALPIE MASSIQUE L’enthalpie massique représente l’enthalpie de l’air humide ramené à 1 kgas Symbole : h ; Unité : J/kgas Relation : h m c H as as mas m v Lv cv mas h cas mv Lv cv cas r Lv cv mas Les formules mathématiques utilisées pour calculer l’enthalpie massique spécifique de l’air humide sont fonction de l’origine des diagrammes. Voici quelques-unes des formules utilisées kJ/kgas : Application 5 : Diagramme Porcher h r 2490 1 ,96 Diagramme Carrier h 1,0045 r 2498 1 ,88 Diagramme Mollier h 1,006 r 2500 1 ,86 Diagramme Costic h 1,006 r 2501 1 ,83 On désire étudier un débit d’air humide de 15 [m3/s] présentant les caractéristiques suivantes : Température : 35 [°C] Humidité relative : 40 [%] Pression atmosphérique : 101300 [Pa] Calculer Pv , r , v, h (formule de Porcher) et QmAS (débit massique d’air sec) Module EE.1.2 Page 8 7) DIAGRAMMES DE L’AIR HUMIDE : Pour représenter graphiquement l’état de l’air et ses évolutions dans le système de climatisation, on utilise les diagrammes de l’air humide. Ces diagrammes permettent, connaissant deux grandeurs caractéristiques de l’air humide, de placer le point figuratif de celui-ci sur le diagramme, et, d’en déduire toutes les autres caractéristiques. Ils permettent également de reproduire graphiquement les évolutions de l’air au cours d’un cycle de réfrigération, de chauffage, d’humidification… ou bien, au cours d’un cycle complet de climatisation qui comprend toutes les opérations élémentaires. Ils sont donc d’un usage courant en réfrigération, climatisation et chauffage industriel. Il existe de nombreux diagrammes qui diffèrent simplement par le choix des grandeurs caractéristiques retenues en abscisse et ordonnée : Température « » - Teneur en humidité « r » : Il s’agit des diagrammes de Carrier, Veron, Casari, Porcher…( Diagramme à coordonnées rectangulaires ) Teneur en humidité « r » - Enthalpie « h » : Il s’agit des diagrammes de Mollier, Ramzine, Ashrae*, Costic (Diagrammes à coordonnées rectangulaires ou obliques) Température « » - Enthalpie « h » : Il s’agit, par exemple, du diagramme de Missenard Malgré cette grande variété, le principe de base est le même et nous étudierons le premier type de diagramme dont l’usage est le plus répandu en Europe et aux USA. Les différents diagrammes sont établis : - pour une masse de 1 kg d’air sec associé à une masse d’eau variable. Les valeurs des caractéristiques de l’air humide sont rapportées à la quantité d’air humide contenant 1 kg d’air sec. - pour une pression atmosphérique constante égale à 101325 Pa (niveau de la mer 0). Les diagrammes établis pour une pression de 101325 Pa sont utilisables jusqu’à une altitude de 500 m. Quand les conditions de pression évoluent, les grandeurs caractéristiques changent également. Il faut donc soit calculer les nouvelles caractéristiques en utilisant les lois de la physique, soit utiliser les diagrammes correspondant aux pressions d’utilisation ASHRAE : COSTIC : American Society of Heating, Refrigering and Air conditionning Engineer Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques Constitution Générale : Ce diagramme est constitué de différentes familles de courbes, représentant les grandeurs caractéristiques de l’air humide : - isohydres : droites horizontales de teneur en humidité constante - isothermes sèches : droites verticales limitées à la courbe de saturation de temp.sèche constante - isothermes humides : droites inclinées non parallèles de temp. humide constante. Leur pente croit avec h - isenthalpes : droites inclinées d’enthalpie constante Sur certains diagrammes, les isenthalpes et les isothermes humides sont parfois confondues - isochores : droites inclinées de volume spécifique constant - courbes d’humidité relative constante : courbes à allure parabolique - isobares : lignes à pression de vapeur d’eau constante parallèles aux isohydres Module EE.1.2 Page 9 Diagramme Air Humide Altitude : 0m Pression : 101325 Pa Module EE.1.2 Page 10 On utilise usuellement sept paramètres pour représenter un état de l’air humide, trois grandeurs thermométriques, trois grandeurs spécifiques (rapportées à la masse d’air sec présente), et une grandeur relative : Paramètres Température sèche Température humide Température de rosée Notations ’ r Unités °C °C °C Humidité spécifique r kgw/kgas Enthalpie spécifique h kJ/kgas Volume spécifique v m3/kgas Humidité relative % Définitions et relations numériques température thermodynamique température d’évaporation de l’eau dans un air renouvelé température de l'air saturé à même humidité spécifique masse d’humidité / masse d’air sec r = 0,622..Pvs / (101325-Pvs) h = + r.(2490 + 1.96.) volume d’air humide contenant 1kgas v = 462.(0,622 + r).(273 + ) / 101325 Pv() / Pvs() TRACE GENERAL r [kgw/kgas] HR en th al pi e h[ =1 00 [% ] kJ /k ga s] LECTURE DES CARACTERISTIQUES H R (% ) h r r s) a 3/kg v (m r Module EE.1.2 h s Page 11 HR X en th al pi e h =1 [k J/ 00 kg [% ] as ] r [kgw/kgas] CAS PARTICULIER DE LA ZONE DE BROUILLARD S r h s r rsat PROCEDURE DE LECTURE DES POINTS : s, h, r : Tracer l’isotherme humide passant par X et lire s, h, r à l’intersection de celle-ci avec la courbe d’humidité relative HR = 100% h : Lire sa valeur sur l’échelle des enthalpies v : Lire le matricule de l’isochore passant par S r : Tracer la parallèle à l’axe des abscisses passant par X et lire la teneur en humidité totale sur l’échelle de droite du diagramme Cette teneur en humidité totale « r » se subdivise en 2 parties : - une partie rSAT lue par rappel de S sur l’échelle des teneurs en humidité - une partie (r – rSAT) sous forme libre en suspension dans l’air : o o Module EE.1.2 liquide si > 0°C aiguilles de glace si < 0°C Page 12 Application : Déterminer les grandeurs caractéristiques des points définis dans le tableau ci-joint par lecture sur diagramme et par calcul. Points Unités HR r v r h h °C % geau/kgas m3/kgas °C °C kJ/kgas Méthode 20 12 lecture 20 12 calcul 1 15 70 lecture 15 70 calcul 2 30 12 lecture 30 12 calcul 3 15 65 lecture 15 65 calcul 4 5 Module EE.1.2 - 15 17 lecture Page 13 RELATIONS ENTRE LES DIFFERENTES GRANDEURS PSYCHROMETRIQUES Deux paramètres suffisent pour caractériser complétement un air humide. Si on connait : , HR Pvs Pv r h v r h h [Pa] [Pa] [kgw/kgas] [kJ/kgas] [----------] [°C] [°C] [°C] = = = = = = = = 10 2,7858 + / ( 31,559 + 0,1354 x ) HR x Pvs 0,622 x Pv / ( P - Pv ) + ( 2490 + 1,96 x ) x r 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] [ h - 2490 x rh ] / [ 1 + 1,96 x rh ] et rh = 0,622 x Pvsh / ( P - Pvsh ) [ x ( 1 + 1,96 x rh ) + ( 2490 x ( r - rh ) ] / [ 1 + 1,96 x rh ] Où bien : , r Pvs Pv HR h v r h h [Pa] [Pa] [%] [kJ/kgas] [----------] [°C] [°C] [°C] = = = = = = = = 10 2,7858 + / ( 31,559 + 0,1354 x ) r x P / ( 0,622 + r ) Pv / Pvs + ( 2490 + 1,96 x ) x r 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] [ h - 2490 x rh ] / [ 1 + 1,96 x rh ] et rh = 0,622 x Pvsh / ( P - Pvsh ) [ x ( 1 + 1,96 x rh ) + ( 2490 x ( r - rh ) ] / [ 1 + 1,96 x rh ] Où bien : , h Pvs r Pv HR v r h h [Pa] [kgw/kgas] [Pa] [%] [----------] [°C] [°C] [°C] Module EE.1.2 = = = = = = = = 10 2,7858 + / ( 31,559 + 0,1354 x ) ( h - ) / ( 2490 + 1,96 x ) r x P / ( 0,622 + r ) Pv / Pvs 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] [ h - 2490 x rh ] / [ 1 + 1,96 x rh ] et rh = 0,622 x Pvsh / ( P - Pvsh ) [ x ( 1 + 1,96 x rh ) + ( 2490 x ( r - rh ) ] / [ 1 + 1,96 x rh ] Page 14 Où bien : r , h Pv h Pvs HR v r h h [Pa] [kJ/kgas] [°C] [Pa] [%] [----------] [°C] [°C] [°C] = = = = = = = = = r x P / ( 0,622 + r ) h + ( 2490 + 1,96 x h ) x r h [ h - 2490 x r ] / [ 1 + 1.96 x r ] 10 2,7858 + / ( 31,559 + 0,1354 x ) Pv / Pvs 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] [ h - 2490 x rh ] / [ 1 + 1,96 x rh ] et rh = 0,622 x Pvsh / ( P - Pvsh ) [ x ( 1 + 1,96 x rh ) + ( 2490 x ( r - rh ) ] / [ 1 + 1,96 x rh ] Où bien : , h Pvs h r Pv HR v r [Pa] [kJ/kgas] [kgw/kgas] [Pa] [%] [----------] [°C] = = = = = = = 10 2,7858 + / ( 31,559 + 0,1354 x ) h + ( 2490 + 1,96 x h ) x r h ( h - ) / ( 2490 + 1,96 x ) r x P / ( 0,622 + r ) Pv / Pvs 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] Où bien : r , HR Pv Pvs r h v r h h [Pa] [Pa] [°C] [kJ/kgas] [----------] [°C] [°C] [°C] Module EE.1.2 = = = = = = = = r x P / ( 0,622 + r ) Pv / HR [ 31,559 x ( log Pvs - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pvs - 2,7858 )] + ( 2490 + 1,96 x ) x r 287 x ( + 273 ) / ( P - Pv ) [ 31,559 x ( log Pv - 2,7858 ) ] / [ 1- 0,1354 x ( log Pv - 2,7858 ) ] [ h - 2490 x rh ] / [ 1 + 1,96 x rh ] et rh = 0,622 x Pvsh / ( P - Pvsh ) [ x ( 1 + 1,96 x rh ) + ( 2490 x ( r - rh ) ] / [ 1 + 1,96 x rh ] Page 15