B.T.S. F.E.D. Lycée Edmond LABBE DOUAI Fluides - Energie Domotique Climatisation-Module 2 Semestres 1&2- 50 heures L’air dans tous ses états F.Lefebvre version 2016 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Origine de l’atmosphère terrestre Les principaux constituants de l’atmosphère terrestre sont l’azote (78 p. 100) et l’oxygène (21 p. 100). C’est Lavoisier qui pour la première fois en 1774 détermina cette composition de l’air (4/5 d’Azote et 1/5 d’Oxygène) Les gaz atmosphériques contenus dans le 1 p. 100 restant (mis en évidence par le physicien français Georges Claude) sont l’argon (0,9 p. 100), le dioxyde de carbone (0,03 p. 100), de la vapeur d’eau en quantité variable et des traces d’hydrogène, d’ozone, de méthane, de monoxyde de carbone, d’hélium, de néon, de krypton et de xénon. Composants mineurs et polluants La proportion de vapeur d’eau contenue dans l’air peut varier sensiblement en fonction de la température et de l’humidité relative. Pour une humidité relative de cent pour cent, la teneur de l’air en vapeur d’eau oscille entre 190 parties par million (ppm) à 40 °C et 42 000 ppm à 30 °C. D’autres gaz en quantités minimes tels que l’ammoniac, l’hydrogène sulfuré, et les oxydes de soufre et d’azote sont des constituants temporaires de l’atmosphère à proximité des volcans; Ces gaz sont éliminés de l’air par la pluie ou la neige. Les oxydes et autres polluants rejetés dans l’atmosphère par les usines, le chauffage domestique et les véhicules sont cependant devenus un réel sujet de préoccupation compte tenu de leurs effets dévastateurs sous la forme de pluies acides. La forte augmentation du volume de méthane dans l’atmosphère est une autre cause d’inquiétude. Les quantités de méthane ont augmenté de 11 p. 100 depuis 1978. Environ 80 p. 100 de ce gaz provient de phénomènes de décomposition dans les rizières, les marais, les intestins des ruminants ou sont produits par les termites tropicaux. Outre le fait qu’il accentue l’effet de serre, le méthane réduit le nombre d’ions hydroxyles (radical OH) dans l’atmosphère, diminuant par-là même la capacité de l’atmosphère à éliminer elle-même les polluants. Structure de l’atmosphère L’atmosphère peut être divisée en plusieurs couches. Dans la couche la plus basse, la troposphère, la température diminue en général de 5,5 °C par tranche de 1 000 m. C’est dans cette couche que se forment la plupart des nuages. La troposphère s’étend sur environ 16 km dans les régions tropicales (jusqu’à une température de - 80 °C environ) et sur environ 9,7 km sous les latitudes tempérées (jusqu’à une température de - 50 °C environ). F.Lefebvre page 2 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Au-dessus de la troposphère se trouve la stratosphère. Dans la basse stratosphère, la température est pratiquement constante ou augmente légèrement avec l’altitude, notamment dans les régions tropicales. À l’intérieur de la couche d’ozone, la température augmente plus rapidement, et la température observée à la limite supérieure de la stratosphère, à près de 50 km au-dessus du niveau de la mer, est approximativement identique à celle de la surface de la Terre. La couche située entre 50 et 80 km au-dessus du niveau de la mer est appelée la mésosphère et se caractérise par une baisse sensible de la température allant de pair avec l’élévation de l’altitude. On sait, grâce à des recherches effectuées sur la propagation et la réflexion des ondes hertziennes, qu’à partir d’une altitude de 80 km, les ultraviolets, les rayons X et les gerbes d’électrons provenant du Soleil ionisent plusieurs couches de l’atmosphère, les rendant ainsi conductrices de l’électricité; ces couches renvoient vers la Terre les ondes hertziennes de certaines fréquences. En raison de la concentration relativement forte des ions dans l’air au-delà de 80 km, cette couche, qui s’étend jusqu’à une altitude de 640 km, est appelée ionosphère. Elle est aussi appelée thermosphère par suite des températures élevées qui y règnent (elles peuvent atteindre 1 200 °C à 400 km environ. La région située au-delà de l’ionosphère est appelée exosphère; elle se prolonge jusqu’environ 9 600 km, limite ultime de l’atmosphère. Pression atmosphérique La densité de l’air sec au niveau de la mer représente 1/800 de la densité de l’eau; à des altitudes plus élevées, elle décroît rapidement, restant proportionnelle à la pression et inversement proportionnelle à la température. La pression atmosphérique est mesurée au moyen d’un baromètre. Sous sa forme classique, celui-ci met en rapport les forces exercées par le poids de l’air d’une part, et par le poids d’une colonne de mercure, d’autre part. Au niveau de la mer, la colonne de mercure se stabilise à une hauteur de 760 mm, valeur qui correspond à 1 015 hPa (hectopascals). L’hectopascal, unité standard de pression correspondant à une force de 100 newtons s’exerçant par mètre carré (N/m2), remplace, depuis 1986, le millibar (mbar) dont la valeur était la même. F.Lefebvre page 3 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide À 5,6 km d’altitude, la pression n’est plus que de moitié (380 mm de mercure) ; la moitié du volume total d’air présent dans l’atmosphère se situe en dessous de ce niveau. La pression diminue à nouveau de moitié environ à chaque fois que l’on s’élève de 5,6 km supplémentaires. À 80 km, la pression ne correspond plus qu’à 0,007 mm de mercure. Étude de l’atmosphère La troposphère et la majeure partie de la stratosphère peuvent être directement explorées par le biais de ballons-sondes équipés d’instruments qui mesurent la pression et la température de l’air, et d’un émetteur radio servant à transmettre les données à une station réceptrice au sol. Des fusées transportant des dispositifs radio qui transmettent les données relevées par des instruments météorologiques explorent l’atmosphère jusqu’à plus de 400 km d’altitude. L’observation des aurores polaires fournit des informations sur la partie allant jusqu’à une altitude de 800 km. F.Lefebvre page 4 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Présentation : Le diagramme psychrométrique encore appelé diagramme de l'air humide est un diagramme T,x.(température, teneur en humidité). Il existe plusieurs types de diagrammes et les plus utilisés sont les diagrammes de: CARRIER – MOLLIER – PORCHER – AICVF – COSTIC . Le diagramme Carrier que nous étudierons se présente de la façon suivante : Les principales caractéristiques de l’air pouvant être lues ou repérées sur ce diagramme sont : La Température sèche : Ts 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 thermique. La lecture de cette température se fera sur l'échelle horizontale du bas du diagramme et s'exprime en degrés Celsius (°C). L’isotherme se représente par une droite verticale Température humide : Th C'est la température indiquée par un thermomètre dont le bulbe est entouré d'un coton hydrophile humidifié. Ce thermomètre est placé dans un flux d'air relativement rapide (2m/s). L'appareil de mesure qui sert à déterminer à la fois Ts et Th s'appelle un psychromètre. Pour trouver la température humide, on projette orthogonalement l'axe des températures sèches sur la courbe de saturation. La température humide se lit sur la droite de saturation du diagramme et se déplace suivant une oblique. Elle s'exprime aussi en degrés Celsius. F.Lefebvre page 5 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide F.Lefebvre page 6 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide La température de rosée: Tr C'est la température à laquelle l'air humide, lentement refroidit, arrive sur la courbe de saturation. Cette température de l'air provoque l'apparition de brouillard qui se dépose sous forme de rosée sur les objets environnants. Cette température se lit sur la courbe de saturation du diagramme et évolue selon une horizontale Teneur en eau du local : x, w ou r C'est le poids de vapeur d'eau contenue dans 1 kg d'air sec. Il se lit sur l'échelle verticale à droite du diagramme et s'exprime en kilogramme d'eau par kilogramme d'air (kg d'eau/kg d'air sec). Il se déplace suivant une horizontale sur le diagramme. L'humidité relative : HR Le degré hydrométrique de l'air est le rapport du poids de vapeur d'eau contenu dans l'air avec le poids de vapeur d'eau que cet air contiendrait s'il était saturé. L'humidité relative est l'expression de ce rapport en %. Elle peut se lire à l'aide des courbes situées à l'intérieur du diagramme. F.Lefebvre page 7 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide L'enthalpie de l'air : H L’enthalpie se lit sur l'échelle oblique située dans la courbe de saturation. Elle se déplace suivant la même droite que la température humide. Elle s'exprime en kJ/kg d'air sec et représente la quantité de chaleur nécessaire pour élever l’unité de masse d’air de 1 °c. Elle est donnée par la relation : H = 1.0045 Ts + X (2498 + 1.88 Ts) Le volume massique (spécifique) : v" C'est le volume occupé à la pression atmosphérique par 1 kg d'air humide. Il s'exprime en m³/kg d'air et se lit sur le diagramme sur les droites obliques, échelle en bas du diagramme. Exercices d’application Ts Th Tr X H HR V’’ °c °c °c Kg eau/kg air KJ/Kg air % m3/kg A +20 +15 B +35 C 40% +18 0.008 D 14.9 E F -9 +50 0.8 100% 0.015 F.Lefebvre page 8 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Le chauffage de l’air Le chauffage consiste à augmenter l'enthalpie et la température de l'air humide. La masse d'air sec et de vapeur d'eau reçoit une quantité de chaleur sensible. La température sèche augmente proportionnellement à la quantité de chaleur fournie. 1) différents types de batterie : Le procédé de réchauffage d'air dans un caisson de traitement d'air est obtenu à l'aide d'un échangeur communément appelé Batterie Chaude. Batteries à eau chaude : Elles sont alimentées par des générateurs ( chaudières à combustibles ou électriques) en eau à 90 °C, ou à des températures plus basses, < 50 °C, quand cela est possible. Batteries électriques : Elles ne sont pas économiques en énergie, c'est pourquoi on les utilise souvent pour des réchauffages terminaux ou complémentaires. Par contre, elles sont d'un coût intéressant à l'installation, et dispose d'un temps de réponse court. Batteries à fluide frigorigène: On utilise directement la condensation d'un fluide frigorigène dans le condenseur qui peut être monté dans le caisson de traitement d'air. 2) Représentation sur le diagramme de l'air humide Le réchauffage de l’air sera représenté par une droite horizontale qui se déplace de la gauche vers la droite. F.Lefebvre page 9 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 3) Calcul de la puissance nécessaire La quantité de chaleur à apporter pour passer de l'état A à l'état B se calcule de la façon suivante : PBC+ = qm (hs-he) P puissance de la batterie en kW hs et he Enthalpies des points S et E en kJ/kg qm débit massique d’air en kg/s On pourra également utiliser les formules suivantes : P = qv cv (TB-TA) qv débit volumique d’air pulsé exprimé en m³/h cv chaleur volumique de l’air (=0.34 à Ts=+20°C et HR=40%) TA et TB températures sèches des points S et E P = qm cp (TB-TA) qm débit massique d’air pulsé exprimé en kg /s cp chaleur massique de l’air (=1 kJ/kg K à Ts=+20°C et HR=40%) TA et TB températures sèches des points S et E P = qv cv (TB-TA) qv débit volumique d’air pulsé exprimé en m3/h cv chaleur volumique de l’air (=0.34 W/K*m3/h à Ts=+20°C et HR=40%) TA et TB températures sèches des points S et E Ces deux dernières formules étant à utiliser avec précaution, les chaleurs massique et volumique de l’air variant en fonction de la température. Le débit de fluide nécessaire au chauffage de l’air circulant dans la batterie chaude sera fonction de la nature et des températures de ce fluide Qm fluide= P BC+ / c ∆T qm fluide :débit massique de fluide en circulation en kg /s c chaleur massique du fluide (=4.185 kJ/kg K à Ts=+20°C pour de l’eau) ∆T différence de température d’entrée et sortie du fluide sur la batterie P BC+ puissance de la batterie exprimée en kW F.Lefebvre page 10 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 1. Etude d’une batterie chaude alimentée en eau (+60 ;+45) A B A B Ts Th Tr x +10 +20 H HR V’’ 80% Sachant que le débit volumique d’air mesuré en B est de 8000 m3/h on demande : Tracer l’évolution de l’air dans la batterie Déterminer le débit massique d’air pulsé Donner les caractéristiques des différents éléments (tableau ci dessus) Calculer la puissance de la batterie chaude Calculer le débit massique et volumique d’eau chaude qui doit circuler dans cette batterie. on supposera la chaleur massique de l'eau égale à 4185 J/kg.K F.Lefebvre page 11 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Technologie des batteries chaudes à eau L’air s’échauffe au contact des ailettes. La source de chaleur est constituée d’un serpentin parcouru par de l’eau chaude ou de la vapeur, ou d’une résistance électrique. Une batterie peut être constituée de plusieurs rangs. 5) Appellation des batteries chaudes : Batterie de préchauffage pour la première batterie servant au chauffage de l’air neuf en provenance de l’extérieur Batteries secondaires pour les batteries situées dans la centrale permettant un chauffage complémentaire de l’air Batteries terminales pour des échangeurs placés dans des gaines près des zones à traiter Régulation des batteries chaudes à eau Généralement, ces batteries sont régulées par variation du débit d’eau chaude. On utilise dans ce but une vanne 3 voies ou une vanne 2 voies. F.Lefebvre page 12 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Les batterie froides 1 Refroidissement sans déshumidification : La température de surface de la batterie froide (adp)reste supérieure à la température de rosée de l'air avant passage sur la batterie froide. Il n'y a pas de condensation de la vapeur d'eau de l'air. Ce refroidissement de la vapeur d'eau sans changement d'état est dit sensible ou "sec". Remarques : L'évolution se fait à humidité absolue constante. La température de rosée reste constante . Au cours de l'évolution, la température sèche, l'enthalpie, la température humide et le volume spécifique diminuent. L'humidité relative augmente. 2 Refroidissement humide (avec condensation de la vapeur d'eau de l'air): L'air se refroidit : la température sèche diminue. La vapeur contenue dans l'air humide, se refroidit et se condense sur la surface de la batterie froide dont la température de surface est inférieure à la température de rosée de l'air. L'humidité absolue diminue car l'eau est "piégée" sur la batterie. On dit qu’elle se condense sur la batterie 3) Caractéristiques d'une batterie froide : Une batterie froide comme tout échangeur n'est pas parfaite et ne permet pas d'amener tout l'air la traversant à saturation (Hr = 100%). 3.1 Définition du facteur de bipasse [BF]: Le facteur de bipasse ou "Bypass Factor" représente la portion correspondante de l'air non traité. BF = ( θS – θADP ) / ( θE – θADP) Nombre sans dimension ou en % F.Lefebvre page 13 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Avec : θ E : Température de l'air à l'entrée de la batterie / θ S : Température de l'air à la sortie de la batterie θADP : Température de surface de la batterie apparition du point de rosée ) ( ADP : "Apparatus dew point" ou La température de surface devra toujours être ou être choisie supérieure à 0 °C pour éviter les risques de givrage en surface de la batterie. Dans la négative, il faudra prévoir un dégivrage cyclique . Remarque : On peut aussi raisonner à partir des humidités absolues ou des enthalpies, la même formule est applicable : BF = ( rS – rADP ) / ( rE – rADP) 3.2 Caractéristiques du facteur de bipasse [BF] : Le "BF" est fonction des caractéristiques physiques de la batterie et des conditions de fonctionnement envisagées. Les caractéristiques qui influent sur le "BF" sont : Surface d'échange externe ( nombre de tubes; espacement des ailettes ) : à une diminution de la surface d'échange correspond une augmentation du BF Vitesse de passage de l'air : à une diminution de la vitesse correspond une diminution du BF (temps de contact plus grand entre l'air et la surface d'échange) L'influence de la surface d'échange est plus importante que celle de la vitesse. Les valeurs courantes du [BF] sont comprises entre 6 et 35 % avec une moyenne à 20 %. 3.3 Efficacité de la batterie froide : L'efficacité d'une batterie froide peut être définie comme le pourcentage d'air traité par rapport à la masse total d'air : ε = 1 - [BF] Celle-ci représente la portion correspondante de l'air réellement traité. F.Lefebvre page 14 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 3.4 Évolutions réelles en refroidissement humide : Batterie froide à détente directe : La température d'évaporation est notée θ 0. L'évolution est assimilable à une droite. la température de surface ADP sera sensiblement égale à θ 0 . Batterie froide à eau glacée ou glycolée : L'évolution réelle n'est plus assimilable à une droite. La première partie de l'évolution se fait sans déshumidification. Au fur et à mesure que l'air se refroidit au passage sur les rideaux de tubes, la déshumidification augmente. Par mesure de simplification, l’évolution de l’air sera néanmoins représentée comme une droite La température moyenne de surface peut être évaluée à : θADP = ( θmoyenne de l’eau) 3.5 Calcul des caractéristiques thermodynamiques : Puissance totale : C'est la puissance globale ou totale à fournir par la batterie froide ΦBf = qmas . ( hS – hE ) en [kW] Puissance sensible : C'est la puissance correspondant à la quantité de chaleur sensible enlevée à l'air pour le refroidir. ΦSBf = qmas . ( hS – hX ) en [kW] F.Lefebvre page 15 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Puissance latente : C'est la puissance correspondant à la quantité de chaleur latente enlevée à l'air se traduisant par une déshumidification. ΦLBF = qmas . ( hX – hE ) en [kW] Ces puissances sont toutes négatives puisqu'elles sont extraites à l'air ; Mais souvent, on ne tient pas compte du signe puisqu'il faudra fournir de l'énergie pour obtenir ce fonctionnement . Quantité d'eau condensée ou "piégée" sur la batterie : qmeau = qmas . ( rE – rS ) en [kgeau / s] Le débit de fluide nécessaire au refroidissement de l’air circulant dans la batterie chaude sera fonction de la nature et des températures de ce fluide Qm fluide= P BF- / c ∆T qm fluide :débit massique de fluide en circulation en kg /s c chaleur massique du fluide (=4.185 kJ/kg K à Ts=+20°C pour de l’eau) ∆T différence de température d’entrée et sortie du fluide sur la batterie P BF- puissance de la batterie exprimée en kW F.Lefebvre page 16 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Etude d’une batterie froide alimentée en eau (+14 ;+20) Ts A B A B Th Tr x +20 H HR V’’ +18 Sachant que le débit massique d'air mesuré en B est de 10000 Kg/h on demande : Tracer l’évolution de l’air dans la batterie Donner les caractéristiques des différents éléments (tableau ci dessus) Calculer la puissance de la batterie froide ainsi que son efficacité Calculer le débit massique et volumique d’eau froide qui doit circuler dans cette batterie Déterminer la quantité d'eau condensée par cette batterie froide F.Lefebvre page 17 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 3. A Etude d’une batterie froide sensible à détente directe B C A B C Ts Th Tr x +25 H HR V’’ +16 Sachant que le débit volumique d’air mesurée en B avant le ventilateur qui se comporte sensiblement comme une batterie chaude en ce qui concerne l’évolution de l’air est de 5000 m3/h , et que le point de température équivalente de surface de la batterie froide est de +10°C on demande : Trouver l’écart de température sur l’air dans le ventilateur de puissance calorifique 2 KW Tracer l’évolution de l’air dans les éléments Donner les caractéristiques des différents éléments (tableau ci dessus) Calculer la puissance de la batterie froide ainsi que son efficacité F.Lefebvre page 18 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 4. A Etude d’une batterie froide à détente directe B C A B C Ts Th Tr x +30 +20 +15 +18 H HR V’’ Sachant que le débit massique d’air mesuré en B avant le ventilateur qui se comporte sensiblement comme une batterie chaude en ce qui concerne l’évolution de l’air est de 4 kg/s , et que le point de température équivalente de surface de la batterie froide est de +10 °c on demande : Tracer l’évolution de l’air dans les éléments Donner les caractéristiques des différents éléments (tableau ci dessus) Calculer la puissance de la batterie froide ainsi que son efficacité Calculer le débit d’eau condensée dans la batterie froide Calculer la puissance dégagée sur l’air par le ventilateur F.Lefebvre page 19 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 5. Etude d’une batterie froide et d’une batterie chaude B A C D A B C D Ts +32 Th Tr x H HR 40% +20 +21 Sachant que le débit volumique d’air mesurée en D après le ventilateur est de 3000 Nm3/h, et que le point de température équivalente de surface de la batterie froide d’efficacité 80% est de +8°c on demande : Tracer l’évolution de l’air dans les éléments Donner les caractéristiques des différents éléments (tableau ci dessus) Calculer la puissance de la batterie froide et de la batterie chaude Calculer le débit d’eau condensée dans la batterie froide Calculer la puissance dégagée sur l’air par le ventilateur Nota : 1 Nm3 d’air est égal à 1m3 d’air avec une masse volumique constante égale à 1.2 Kg/m3 F.Lefebvre page 20 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Humidification de l'air: Le rôle des humidificateurs est d'augmenter l'humidité absolue de l'air (teneur en eau ou quantité d'eau dans l'air par kilogramme d'air sec). L'humidification se fera par injection d'eau ou de vapeur d’eau. 1) Humidification par injection de vapeur sèche : La vapeur est produite par un humidificateur autonome ou un système centralisé de production de vapeur avec distribution par des rampes. Celle-ci est envoyée directement dans le conduit d'air ou le local. La vapeur est pure et inodore. Il est important que la vapeur soit bien sèche de façon à ce qu'il n'y ait pas de formation de gouttelettes. 2) Modélisation graphique et caractéristiques : L'évolution théorique [ES] se fait à température sèche constante (isotherme). Du fait de l'enthalpie de la vapeur (hv = 2676 kJ/kg à 100 °C), l'évolution réelle [ES'] se fait suivant une pente dépendant de hv. L'augmentation réelle de température est de 1 à 2 °C suivant le cas et la température de la vapeur. Dans le cadre d'un avant projet, par souci de simplification, on considérera l'évolution le plus souvent comme isotherme. hE, rE : Enthalpie et humidité de l'air à l'entrée hS, rS : Enthalpie et humidité de l'air à la sortie (théorique) hS' , rS' : Enthalpie et humidité à saturation (réelle) L'augmentation d'enthalpie de S à S' pourra se calculer par : hS' – hS = Lv . (rs – re) en [kJ/kgas] avec Lv Chaleur latente de vaporisation de l'eau à θv (température sèche de la vapeur) Rs - re difference de teneur en eau entre entrée et sortie humidificateur en kg L’augmentation de température entre S’ et S pourra être aussi proportionnelle à la quantité de vapeur injectée par l’humidificateur Puissance apportée : ΦV = qmas . ( hS’ – hE) en [kW] F.Lefebvre page 21 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Débit d'eau vaporisé ou injecté : qmeau = qmas . ( rS – rE ) en [kgeau / s] Rendement de saturation de l'humidificateur : ηsat = ( θE – θS ) / ( θE – θSAT) = ( rS – rE ) / ( rSAT – rE ) sans dimension ou en % L'humidificateur ne permet pas de saturer l'air. Il faudrait une "surface d'échange infinie". C'est pourquoi on doit quantifier la qualité de l'humidification par le rendement de saturation. L'humidificateur à vapeur : Remplace les humidificateurs par pulvérisation d'eau du fait des problèmes d'hygiène. Est facile à entretenir et permet une régulation plus simple et précise de l'humidité Évite l'emploi de la batterie terminale de réchauffage (cycle plus simple). Évite le refroidissement de l'air pendant l'humidification N'est pas générateur de pertes de charge sur l'air Humidificateur à électrodes Lorsque du courant circule dans l’eau via des électrodes métalliques, de la chaleur se produit par la résistance électrique de l’eau. Celle-ci chauffe l’eau et la porte à évaporation. Humidificateur à résistance La chaleur de résistance agit comme un thermoplongeur et ne dépend pas de la conductibilité électrique de l’eau. Avec des humidificateurs à résistance, le débit de vapeur peut être réglé au pourcentage près F.Lefebvre page 22 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Humidification par laveur d'eau L’eau est pulvérisée par des gicleurs dans le courant d’air ou sur une surface de ruissellement qui permettra une meilleure humidification de l'air. L'humidificateur par pulvérisation d'eau avec reliquat ( recyclage d'une partie de l'eau) impose des règles d'hygiènes strictes eu égard au lavage de l'air au contact des surfaces de ruissellement et au recyclage de l'eau. Très employé autrefois ( avant 1980 ), il succède le plus souvent à une batterie de préchauffage et est suivi d'une batterie de chauffage. Il engendre donc des surconsommations d'énergie et nécessite la pose d'un séparateur de gouttelettes en aval. On parle souvent d'humidification adiabatique (pas d'échange de chaleur avec l'extérieur). L'eau et l'air n'échange pas de chaleur avec l'extérieur mais le phénomène de transfert de masse est le résultat d'un échange de chaleur entre l'air et l'eau. Cet échange de chaleur conduit à une augmentation de la teneur en eau à température humide constante assimilé souvent à une évolution isenthalpique (même enthalpie) accompagné d'un refroidissement de l'air. Modélisation graphique et caractéristiques : L'évolution de l'air se fait théoriquement à température de bulbe humide constante. La pente de l'évolution dépendra de la température de l'eau pulvérisée donc de la température de saturation notée « sat ». θE, rE : Température et humidité de l'air à l'entrée θS, rS : Température et humidité de l'air à la sortie θSAT , rSAT : Température et humidité à saturation Sat : Point de saturation correspondant à une surface d'échange infinie Rendement de saturation de l'humidificateur : ηsat = ( θE – θS ) / ( θE – θSAT) = ( rS – rE ) / ( rSAT – rE ) sans dimension ou en % F.Lefebvre page 23 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide L'humidificateur ne permet pas de saturer l'air. Il faudrait une "surface d'échange infinie". C'est pourquoi on doit quantifier la qualité de l'humidification par le rendement de saturation. Les rendements pratiques de saturation sont souvent compris entre 50 et 85 % pour les appareils à ruissellement et plus de 90 % pour les appareils aérosols. Débit d'eau injecté : meau = qmas . ( rS – rE ) en [kgeau / s] Inconvénients du laveur à eau recyclée: La stagnation et la recirculation de l'eau favorisent la prolifération de bactéries. Il faudra effectuer un traitement algicide et bactéricide régulier de l'eau. L'entretien des réservoirs contre la corrosion est nécessaire. C'est pourquoi aujourd'hui, il est abandonné au profit de l'humidificateur à vapeur. Son utilisation est interdite dans le conditionnement d'air des salles propres (laboratoires, blocs opératoires). Il en résulte que son emploi est quasiment abandonné pour les installations nouvelles et même pour les anciennes en fonctionnement. On les installe encore dans les industries du bois ( séchage contrôlé) et dans les industries textiles (humification intense de l'air pour le travail des fibres ). F.Lefebvre page 24 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide LAVEUR A EAU PERDUE Le symbole d'un laveur à eau perdue se représente comme suit: L'évolution de l'air dans un laveur à eau perdue dépendra de la température de l'eau pulvérisée par le laveur. Cette température d'eau se place sur la courbe de saturation, le point B est situé sur la droite reliant le point A à la température de l'eau pulvérisée. Les caractéristiques générales des laveurs(rendement de saturation et quantité d'eau injectée) restent inchangées: Pour le tracé sur le diagramme, on distingue plusieurs cas: 1. Teau = TsA Humidification isotherme comme un humidificateur vapeur 2. Teau > TsA Chauffage et humidification de l'air 3. Teau = ThA Humidification adiabatique 4. Teau = TrA Refroidissement sensible de l'air 5. TrA < Teau < TsA Humidification non adiabatique 6. Teau < TrA Refroidissement et déshumidification de l'air F.Lefebvre page 25 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide appareils à pulvérisation par ultrasons Le principe de fonctionnement de l’appareil est basé sur la mise en vibration d’une lame métallique (convertisseur piézo-électrique) à 1,65 MHz, cette lame étant située sous une couche d’eau. L’inertie de l’eau est telle qu’elle ne peut suivre le rythme. Les dépressions et les surpressions successives créent des micro-bulles qui remontent vers la surface. Du bouillonnement, jaillissent en surface des micro-gouttelettes (7 à 10 microns). De plus, des ondes sonores sont générées en surface, ce qui renforce les chocs entre les molécules. Un brouillard s’élève de la surface... Le débit d’eau atomisée est situé entre 1 et 20 kg/h, suivant le type d’appareil. La puissance électrique absorbée est faible puisque l’énergie de vaporisation n’est pas assurée par l’appareil (seul le fractionnement mécanique en gouttelettes est réalisé). Elle se situe autour des 50 à 100 W par kg/h, soit moins de 10 % de la puissance demandée par un humidificateur à vapeur. L’eau doit être déminéralisée préalablement. Un rinçage automatique est conseillé (remplacement périodique de l’eau dans l’appareil), afin d’éviter le développement de germes, mais la consommation totale en eau de l’appareil reste beaucoup plus faible que dans les autres types d’humidificateurs. Si l’appareil est disposé dans une gaine, une vitesse de 1,5 à 3 m/s est requis pour le balayage de l’air au-dessus de la surface de l’eau. Ceci sous-entend parfois que la section du gainage soit augmentée pour réduire la vitesse. F.Lefebvre page 26 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide La déshumidification de l’air On distingue deux grands types de déshumidification d’air possibles autres que par batterie froide : La déshumidification (ou déshydratation) par absorbants liquides On dit d’un système de déshydratation qu’il est à absorption lorsqu’il se caractérise par l’utilisation des propriétés d’une solution liquide absorbante. Ces procédés utilisent les propriétés hygroscopiques du Chlorure de Lithium (LiCl). Ce sel est particulièrement favorable pour le séchage de l’air, possédant simultanément une basse tension de vapeur et une excellente stabilité thermique et chimique. De plus, ses propriétés bactéricides permettent de fournir un air sec et stérile. Ces systèmes peuvent être utilisés sans problème jusqu’à des hygrométries relativement basses (jusqu’à -20°C )pour des débits d’air traité de 3 000 à 150 000 m3/h avec une très bonne performance énergétique. Les avantages des déshumidificateurs Destruction des micro-organismes en suspension dans l'air ce système offre bien d'avantage que la simple fiabilité du contrôle de l'humidité. Jusqu'à 97% de la totalité des bactéries, virus et moisissures en suspension dans l'air sont détruits et éliminés, l'air étant lavé par la solution hygroscopique. Un avantage spécifique que ne permet pas un déshydrateur à absorbant solide La Déshumidification par adsorption On dit d’un système de déshydratation qu’il est à adsorption lorsqu’il se caractérise par l’utilisation des propriétés d’un agent solide ayant une grande affinité avec l’eau. Dans ce cas, ce sont les surfaces du système à micropore qui adsorbent l’humidité. Les systèmes déshydrateurs comportent un échangeur rotatif (roue F.Lefebvre page 27 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide déshydratante) à base de gel de silice (SiO2) ou des tamis moléculaires. Ils peuvent être utilisés sans problème jusqu’à des hygrométries très basses (jusqu’à -50°C) pour des débits d’air traité de 50 à 100 000 m3/h. Représentation symbolisée et évolution sur le diagramme F.Lefebvre page 28 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Mélange de masses d'air : Principe et moyens mise en oeuvre : Le mélange a pour objet de contrôler la réunion homogène de débits d'air de provenance différentes, afin de maîtriser au mieux l'énergie suivant les besoins de ventilation. C'est le cas, par exemple, de l'air neuf extérieur et de l'air repris à l'intérieur des locaux. Une section de mélange comporte au moins deux registres ( ou cadre à volets) à lames montées sur des axes dont le mouvement est synchronisé ( à lames parallèles ou opposées). Contrôle des caractéristiques du mélange : Lorsqu'un débit est diminué, l'autre est augmenté. La variation de débit obtenue par la rotation des axes des lames dépend : du débit de renouvellement d'air hygiénique ( détection du nombre de personnes) des caractéristiques extérieures ( refroidissement gratuit ou « freecooling ») des qualités d'ambiance ( pollution, odeurs, fumées ... ) Modélisation du fonctionnement d'un caisson de mélange utilisé en traitement d'air : Les équations d'état de ce système sont : qmAm = qmAs ( conservation de la masse d'air sec avant, pendant et après le traitement de l'air) qmAm = qmArc + qmAn et qmArp = qmArc + qmArj F.Lefebvre page 29 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Modélisation sur le diagramme de l'air humide : Deux masses d'air de caractéristiques psychrométriques différentes sont mélangées au sein d'un caisson de mélange représenté ci-après. En E : l'air a pour caractéristiques : qmE, hE, rE,θE En L : l'air a pour caractéristiques: qmL,hL,rL,θL Le mélange se traduit par une droite qui joint les deux points représentatifs. Le point de mélange M se trouve sur cette droite. En appliquant la loi des mélanges, on a : qmM . hM = qmE . hE + qmL . hL qmM = qmE + qmL hM = ( qmE . hE + qmL . hL) / ( qmE + qmL ) De la même manière, on peut écrire pour le bilan d'humidité la relation suivante : rM = ( qmE . rE + qmL . rL) / ( qmE + qmL ) En supposant que les capacités thermiques massiques sont égales et constantes et avec une marge d'erreur faible, on peut aussi écrire : θM = ( qmE . θE + qmL . θL) / ( qmE + qmL ) attention : Les équations ne sont valables que pour les débits massiques ; Le volume variant suivant les pressions et températures, pour les débits volumiques, il faudra tenir compte des volumes massiques en chaque point. Exercices d’application F.Lefebvre page 30 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide On se propose de réaliser l’étude des caissons de mélanges d’une banque Exercice 1 3 points placer le point de mélange sur le diagramme de l’air humide donner les caractérisques de ce point Exercice 2 : 3 points E M I température +15 +15 Extérieur E Intérieur I Mélange M E Humidité absolue 2 g/kg 9 g/kg Debit volumique 6000 m3/h 4000 m3/h On suppose la masse volumique de l’air constante et égale à 1,2 kg/m3 placer le point de mélange sur le diagramme de l’air humide donner les caractérisques de ce point M I Exercice 3 : 4 points Extérieur E Intérieur I température +20 +30 humidité 30% 40% Debit massique l’installation fonctionne avec 25% d’air extérieur E M F.Lefebvre I page 31 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide placer le point de mélange sur le donner les caractérisques diagramme de l’air humide de ce point Exercice 4 : 5 points température +40 +35 Extérieur E Intérieur I Mélange M E Humidité absolue 15 g/kg 4 g/kg 8 g/kg Debit massique 6kg/s placer le point de mélange sur le diagramme de l’air humide donner les caractérisques de ce point trouver le débit d’air neuf à introduire dans le caisson de mélange pour avoir ces M I caractéristiques Exercice 5 : 5 points température +30 +20 +35 Extérieur E Intérieur I Intérieur K Mélange M Humidité absolue 14 g/kg 12 g/kg 20 g/kg Débit massique qmE qmI= qmE/2 qmK= qmI+ qmE Calculer les caractéristiques de M mélange de E,I,J M E E K E I placer le point de mélange sur le diagramme de l’air humide donner les caractéristiques de ce point le débit d’air soufflé en M F.Lefebvre page 32 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide . Etude d’une batterie froide avec système de « by-passage » A B C Ce type d’échangeur permet des économies d’énergie lorsque techniquement, on ne peut faire varier l’efficacité de la batterie froide Le débit qui passe réellement sue l’échangeur est variable à l’aide de registre de réglage placé sur l’air by passé ou sur la batterie On retrouve les caractéristiques propres à une batterie froide : Efficacité ou rendement Point de température équivalente de surface On applique également les équations propres au mélange de l’air en supposant : Masse qui passe sur la batterie froide et en ressort aux conditions de sortie batterie froide (B) Masse qui passe à l’extérieur de la batterie aux conditions du point d ‘entrée (A) Masse totale qui arrive aux conditions du point (C ) étant la somme des deux masses d’air précédemment définies Les caractéristiques du point (C) se situent sur la droite de mélange entre A et B Représentation graphique de l’évolution de l’air F.Lefebvre page 33 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide exercice d’étude d’une batterie froide avec système de « bypassage » A B C A C Ts Th Tr x H +40 0.015 +20 HR V’’ On se propose de réaliser l’étude d’une batterie froide de température équivalente de surface +5 et d’efficacité 80 % permettant de refroidir une masse d’air de 5 kg/s Travail demandé L’installation est prévue sans système de by passage d’air Tracé l’évolution de l’air dans la batterie froide Proposer une solution pour atteindre la température sèche du point C (rajouter un échangeur sur l’air) Calculer les puissances des éléments utilisés Afin de réaliser des économies, le client souhaite installer un by passage de l’air sur la batterie froide Tracé la nouvelle évolution de l’air sur le diagramme Déterminer la masse d’air qui passe réellement sur la batterie Calculer la nouvelle puissance de cet échangeur Quelles sont les économies réalisables grâce à ce by passage de l’air F.Lefebvre page 34 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide Les écarts de température au soufflage L’état de l’air soufflé devra être tel que le plus souvent il compense les bilans intérieurs du local. 1. le local comporte des déperditions uniquement Dans ce cas l’air soufflé devra être soufflé à une température supérieure à la température intérieure du local afin de compenser les déperditions. ΔTs=Ts-Ti= Déperditions 0.34*D Ts : température sèche de soufflage Ti : température sèche intérieure D Débit d'air soufflé en m3/h Déperditions exprimées en Watt ΔHs=Hs-Hi= Déperditions qm Hs : enthalpie de soufflage Hi : enthalpie de l’intérieur qm débit d'air massique soufflé en kg/s Déperditions exprimées en kW 2. le local comporte des apports sensibles uniquement Dans ce cas l’air soufflé devra être soufflé à une température inférieure à la température intérieure du local afin de compenser les apports sensibles de ce local. ΔTs=Ti-Ts= RSH 0.34*D Ts : température sèche de soufflage Ti : température sèche intérieure D Débit d'air soufflé en m3/h RSH : apports sensibles exprimés en Watt F.Lefebvre page 35 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide ΔHs=Hi-Hs= RSH qm Hs : enthalpie de soufflage Hi : enthalpie de l’intérieur qm débit d'air massique soufflé en kg/s RSH : apports sensibles exprimés en KW 3. le local comporte des apports latents uniquement Dans ce cas l’air soufflé devra être soufflé à une teneur en eau inférieure à la teneur en eau du local afin de compenser les apports latents de ce local. ΔXs=Xi-Xs= RLH 0.825*D Xs : teneur en eau de soufflage exprimée en gramme d’eau par kg air sec Xi : teneur en eau de l’air intérieur exprimée en gramme d’eau par kg d’air sec RLH : apports latents exprimés en Watt D : débit d’air soufflé en m3/h Dans le cas ou les apports latents seraient exprimés en Kg d’eau par heure, on utiliserait la relation : ΔXs = Xi-Xs= RLH qm qm débit masse d’air soufflé en Kg/h ΔXs différence de teneur en eau exprimée en kg d’eau/kg d’air sec ΔHs = Hi-Hs= RLH qm qm débit masse d’air soufflé en Kg/s RLH : apports latents exprimés en kW F.Lefebvre page 36 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 4. le local comporte des déperditions sensibles et apports latents Dans ce cas l’air soufflé devra être soufflé à une teneur en eau inférieure et une température supérieure aux conditions intérieures du local afin de compenser les apports latents et déperditions de ce local. Pour placer le point S on utilisera les relations définies en 1 et 3 5. le local comporte des apports sensibles et des apports latents Dans ce cas l’air soufflé devra être soufflé à une teneur en eau et une température inférieure aux conditions intérieures du local afin de compenser les apports latents et sensibles de ce local. 1ère méthode on utilise un regroupement de 2 et 3 en posant ΔTs=Ti-Ts= RSH 0.34*D ΔXs=Xi-Xs= RLH 0.825*D 2ème méthode on trace la droite du RSHF RSHF= RSH RTH RTH = RSH + RLH = apports totaux Cette droite passe par la valeur du RSHF située sur la droite du diagramme Carrier et par le point de référence du diagramme on trace la droite du local C’est la droite parallèle à la droite du RSHF qui passe par le point intérieur du local. F.Lefebvre page 37 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide On place le point de soufflage qui est sur la droite du local et est positionné à l’aide de l’une des relations définies en 2 ou 3 ou en utilisant : ΔHs = Hi-Hs= RTH RTH Apports totaux en Kw M M débit masse d’air soufflé en Kg/s ΔHs différence d’enthalpie exprimée en KJ/kg 6. le local comporte des déperditions sensibles et apports latents et sensibles on compare le total des apports sensibles et le total des déperditions si le total des apports sensibles est supérieur aux déperditions on utilise les relations définies 5 avec : ΔTs=Ti-Ts= RSH-Dep 0.34*D si le total des déperditions est supérieur aux apports sensibles du local on utilise les relations définies en 4 avec ΔTs=Ts-Ti= Dep-RSH 0.34*D 7. exercices d’application F.Lefebvre page 38 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide 8 Détermination des conditions de soufflage par la méthode Costic ou porcher on définit le rapport j=RTH/RLH RTH apports totaux exprimés en KW RLH apports latents ou hydriques exprimés en Kg d’eau /s Ce rapport j permet de tracer la droite de soufflage du local, qui passe par le point intérieur. On s’aidera à cet effet du rapporteur qui permet de déterminer l’angle d’évolution de la droite Plusieurs cas sont alors envisageables : F.Lefebvre page 39 Fluides Energie Domotique Enseignement Technique Professionnel : Climatisation module 2 le diagramme de l'air humide les caractéristiques de l’air de soufflage seront données par les relations suivantes : Xs = j* Xl + 1,006 (Ts-Hl) J*2501 – 1,83 Ts Hs = Hl – j (Xl – Xs) 1,83 étant la chaleur massique de la vapeur d’eau 2501 la chaleur latente de la vapeur 1,006 la chaleur massique de l’air 9 ) Charges hydriques ou latentes : Ce sont les apports de chaleur sous forme latente (dégagement d’humidité sous forme de vapeur d’eau ). Ces dégagements d’humidité sont dus aux occupants, au processus industriel, au type de local (à fort dégagement d’humidité: piscine par exemple ). Ces apports peuvent être exprimés de deux façons : Masse d’eau ou d’humidité : M en [kgeau/h] ou Puissance : Φ L en [kW] . Il existe une relation liant M et ΦL : [kg/s] , ΦL en [kW] ΦL= M . Lv avec Lv en [kJ/kgeau] , M en Lv est la chaleur latente de vaporisation de l’eau à la température intérieure du local. On la prend souvent égale à 2500 kJ/kg. Si on veut plus de précision, il faudra lire cette valeur dans une table de vapeur d’eau ou la calculer à l’aide de la formule de Régnault : où t est la température exprimée en degrés Celsius et Lv la chaleur latente exprimée en joules par gramme (J/g). Cette formule est valable pour des températures allant environ de 100 °C à 200 °C. La chaleur de vaporisation de l'eau, en kJ.kg- 1, est, elle, donnée par la formule de Regnault : L = 3335 - 2,91 T. F.Lefebvre Henri Victor REGNAULT (1810-1878) Chimiste et physicien, il se consacre essentiellement à l'expérimentation qu'il mène avec beaucoup de rigueur. Ses travaux portent surtout sur les changements d'états comme la compressibilité, la dilatation et l'ébullition page 40
