ÉVOLUTIONS SIMPLES OU ÉLÉMENTAIRES

1. MÉLANGE DE MASSES D'AIR :

1.1) 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).

1.2) 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 ... )

1.3) 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 : qm_E, h_E, r_E,θ_E
En L : l'air a pour caractéristiques : qm_L,h_L,r_L,θ_L

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 :

qm_M . h_M = qm_E . h_E + qm_L . h_L
qm_M   = qm_E   + qm_L

donc  h_M = ( qm_E . h_E + qm_L . h_L) / ( qm_E + qm_L)

De la même manière, on peut écrire pour le bilan d'humidité la relation suivante :

r_M = ( qm_E . r_E + qm_L . r_L) / ( qm_E + qm_L )

En négligeant l'influence de la vapeur d'eau dans l'air avec une erreur relativement faible, on peut aussi écrire :

θ_M = ( qm_E . θ_E + qm_L . θ_L) / ( qm_E + qm_L )

Cette expression peut être utilisée en avant-projet mais il faut se rappeler que le diagramme de l'air humide est un diagramme enthalpique [ h = f (θ , r) ] : Le positionnement du point de mélange ne sera rigoureux que si on utilise l'enthalpie et l'humidité spécifiques des points.

1.4) Mélange de plusieurs masses d'air :

Si le mélange comporte plus de deux masses d'air, on assure d'abord les deux premières comme ci-dessus, puis le mélange avec une troisième, et ainsi de suite dans un ordre quelconque.
On peut ainsi généraliser les équations précédentes à n constituants.

1.5) Modélisation du fonctionnement d'un caisson de mélange utilisé en traitement d'air :

Les équations d'état de ce système sont :

qm_Am = qm_As ( conservation de la masse d'air sec avant, pendant et après le traitement de l'air)
qm_Am = qm_Arc + qm_An et qm_Arp = qm_Arc + qm_Arj

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.
On peut simplifier le calcul si on prend comme référence un air dit "standard" pour tout le processus : ρ = 1,2 kg_as/m³ ou v" = 0,833 m³/kg_as.

On supposera pour les relations suivantes que les deux ventilateurs n'apportent pas de chaleur à l'air.
Dans la réalité, on peut considérer que l'air se réchauffe en moyenne de 1 °C .

Relations pratiques :

• θ_E , θ_L, θ_M : température de l'air neuf, recyclé, mélangé
  
• qm_AN , qm_L ou qm_ARC , qm_M ou qm_AS : débit massique de l'air neuf, recyclé, mélangé ou soufflé

Le point de mélange M partage le segment de droite ( [EM] , [ML] ) en deux segments inversement proportionnels aux débits massiques spécifiques qm_An,qm_Arc.

On définit les pourcentages d'air recyclé et d'air neuf appelés "Taux d'air recyclé" et "Taux d'air neuf" introduits dans le système de traitement d'air :

Taux d'air neuf (noté Tan et exprimé en [%] )  : Tan  = 100 . qm_AN   / qm_AS

Taux d'air recyclé (noté Tar et exprimé en [%] ) : Tarc = 100 . qm_ARC / qm_AS

En supposant que les capacités thermiques massiques sont égales et constantes et avec une marge d'erreur faible:

Si le local a une température inférieure à celle de l'air neuf (situation été) :
    qm_AN / qm_AS = ( θ_M – θ_L) / ( θ_AN – θ_L)
donc θ_M = θ_L + qm_AN . ( θ_AN – θ_L) / qm_AS = θ_L + T_AN . ( θ_AN – θ_L)

Si le local a une température supérieure à celle de l'air neuf (situation hiver):
    qm_AN / qm_AS = ( θ_L – θ_M) / ( θ_L – θ_AN )
donc θ_M = θ_L– qm_AN . ( θ_L – θ_AN) / qm_AS = θ_L– T_AN . ( θ_L – θ_AN )

On peut faire de même pour les enthalpies spécifiques, humidités absolues ou spécifiques...

Remarque : Pour contrôler que le positionnement du point de mélange M, figuratif du mélange entre l'extérieur et le local, est correct, il faut se rappeler que ce point est toujours plus prés du point figuratif de l'air qui contient la plus grande quantité d'air sec ( M « centre de gravité » fictif des deux masses d'air ).

2. CHAUFFAGE DE L'AIR :

Le chauffage consiste à augmenter l'enthalpie 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.

2.1) 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.

2.2) Modélisation sur le diagramme de l'air humide :

Le chauffage consiste à augmenter l'enthalpie 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.
L'évolution est dite « isohydre » car elle se fait à humidité absolue constante.

Puissance calorifique fournie à l'air :

Φ_BC = qm_as . ( h_S - h_E ) en [ kW ]

3. REFROIDISSEMENT DE L'AIR :

3.1) Principaux moyens mis en œuvre et types de batterie :

La section de refroidissement comporte l'échangeur et un bac de réception de l'eau condensée (sur les surfaces d'échange) évacuée vers le réseau des eaux usées avec interposition d'un siphon, pour des raisons hygiéniques mais aussi pour assurer une évacuation pérenne : sans siphon, le caisson contenant les batteries est en dépression (pression inférieure à la pression atmosphérique), les condensats ne pourraient pas s'écouler par gravité.

Cet échangeur est communément appelé batterie froide .

• Batteries à eau froide : [dite aussi à eau glacée ]
  
  L'eau, dont la température moyenne peut prendre des valeurs allant de 5 à 11 °C, peut être additionnée d'éthylène glycol ou de propylène glycol pour éviter la prise en glace à l'évaporateur de la machine frigorifique suivant les conditions extérieures du site (arrêt en hiver).
  Le groupe de production d'eau glacée peut produire de l'eau glacée de façon centralisée pour un ensemble de centrales ou de batteries. Il faudra alors choisir le régime d'eau glacée judicieusement.
  
  
• Batteries froide à fluide frigorigène : [dite improprement à détente directe ]
  
  Elle est montée directement sur le circuit thermodynamique dont elle constitue l'évaporateur.
  On l'appelle "batterie à détente directe". La proximité du compresseur est souvent requise pour minimiser les pertes de charge.

3.2) Principe du refroidissement de l'air :

3.2.1 REFROIDISSEMENT "SEC" ou sensible (sans condensation de la vapeur d'eau de l'air) :

La température de surface de la batterie froide reste supérieure à la température de rosée de l'air avant passage sur la batterie froide. Cette chaleur enlevée à l'air est dite sensible.
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.

3.2.2 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 r diminue à la sortie car l'eau est "piégée" sur la batterie.

La chaleur correspondant à la condensation de la vapeur d'eau est dite latente .

Remarques :

• Au cours de l'évolution, la température sèche, l'enthalpie, la température humide, la température de rosée et le volume spécifique diminuent. L'humidité relative augmente.
• L'air ressort avec une humidité absolue plus faible. Il y a déshumidification de l'air.

3.3) Paramètres caractéristiques d'une batterie froide :

Une batterie froide, comme tout échangeur, n'est pas parfaite et ne permet pas d'amener la totalité de l'air la traversant à saturation (Hr = 100%).

3.3.1 Définition du facteur de bipasse [BF]:

Le facteur de bipasse ou "Bypass Factor" représente la portion correspondante de l'air non traité.

BF = ( θ_S – θ_ADP ) / ( θ_E – θ_ADP )  Nombre sans dimension ou en %

θ _E   : Température de l'air à l'entrée de la batterie
θ _S   : Température de l'air à la sortie de la batterie
θ_ADP : Température de surface de la batterie
   ( ADP : "Apparatus dew point" ou apparition du point de rosée )

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.

Quelque soit le type de batterie froide, l'évolution se dirige constamment vers la courbe de saturation.

Remarque : On peut aussi raisonner à partir des humidités absolues ou des enthalpies, la même formule est applicable :

BF = ( r_S – r_ADP ) / ( r_E – r_ADP )

3.3.2 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 %.

3.3.3 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.

3.3.4 Évolutions réelles en refroidissement humide :

• Batterie froide à détente directe :

     

La température de saturation à l'évaporateur est notée θ ₀. L'évolution est assimilable à une droite.
Si l'échange était parfait, la température de surface ADP serait égale à θ ₀ .
Dans la réalité, on a : θ_ADP = θ₀ + 3 à 5 K

• 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. La température moyenne de surface dépend de la géométrie et de l'alimentation en eau de la batterie.

La température moyenne de surface peut être évaluée à : θ_ADP = ( θ_{s eau} + k . θ_{e eau} ) / ( 1 + k )

k est un coefficient dépendant de la batterie ( rendement d'ailettes, écart entre l'eau et l'air ... ) qui est souvent pris égal à 1 en avant projet et en l'absence d'informations sur la batterie froide.
Si k = 1, θ_ADP est la moyenne arithmétique des températures d'entrée et de sortie de l'eau glacée.

3.3.5 Calcul des caractéristiques thermodynamiques :



Puissance totale : C'est la puissance globale ou totale à fournir par la batterie froide
 Φ_{T Bf} = qm_as . ( h_S – h_E ) en [kW]

Puissance sensible : C'est la puissance correspondant à la quantité de chaleur sensible enlevée à l'air pour le refroidir.
 Φ_{S Bf} = qm_as . ( h_S – h_X ) en [kW]

Puissance latente : C'est la puissance correspondant à la quantité de chaleur latente enlevée à l'air se traduisant par une déshumidification.
 Φ_{L Bf} = qm_as . ( h_X – h_E ) 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 :
 M_eau = qm_as . ( r_E – r_S ) en [kg_eau / s]

4. HUMIDIFICATION DE L'AIR :

L'humidification se fait par injection d'eau ou de vapeur.

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).
Les dispositifs d’humidification sont nombreux, mais on peut les regrouper selon deux grandes familles :

• Humidification par injection de vapeur : on injecte de la vapeur d'eau directement dans le conduit ou dans la centrale de traitement d'air.
  
  
• Humidification par pulvérisation 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 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.
  
  
• 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.
  
  
• Cet humidificateur présente un effet secondaire: l'effet LENARD (l'air se charge d'électricité statique)
  
  
• On appelle souvent improprement cet appareil, "laveur d'air" : un lavage de l'air dans le sens de la purification ne peut avoir lieu que pour les particules de poussière et quelques gaz comme le SO₂.
  
  
• 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 ).

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

4.1) Humidification par injection d'eau :

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.

4.1.1) Modélisation graphique et caractéristiques :

θ_E, r_E   : Température et humidité de l'air à l'entrée
θ_S, r_S   : Température et humidité de l'air à la sortie
θ_SAT , r_SAT  : Température et humidité à saturation

Sat : Point de saturation correspondant à une surface d'échange infinie

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 θ_SAT.

Rendement de saturation de l'humidificateur :

ηsat = ( θ_E – θ_S ) / ( θ_E – θ_SAT ) = ( r_S – r_E ) / ( r_SAT – r_E ) 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.

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 : M_eau = qm_as . ( r_S – r_E ) en [kg_eau / s]

4.2) Humidification par injection de vapeur sèche :

La vapeur est produite par un humidificateur autonome ou une 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.

4.2.1) Modélisation graphique et caractéristiques :

h_E , r_E : Enthalpie et humidité de l'air à l'entrée
h_S , r_S : Enthalpie et humidité de l'air à la sortie (théorique)
h_S' , r_S' : Enthalpie et humidité de l'air à la sortie (réelle)

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, on peut considérer l'évolution comme isotherme.

L'augmentation d'enthalpie de S à S' se calcule par :

h_S' – h_S = Lv . r  en [kJ/kg_as]

avec Lv Chaleur latente de vaporisation de l'eau à θv (température de la vapeur)

Puissance apportée : Φ_V = qm_as . ( h_S – h_E ) en [kW]

Débit d'eau vaporisé : M_eau = qm_as . ( r_S – r_E ) en [kg_eau / s]

5. DéSHUMIDIFICATION DE L'AIR HUMIDE :

5.1) Déshumidification par batterie froide :

5.1.1) Moyens et principes :

L'évolution est celle d'une évolution en refroidissement humide. Il y a condensation de la vapeur d'eau dans l'air sur la surface de la batterie froide.La température de surface doit être inférieure à la température de rosée de l'air à l'entrée. Ce procédé de déshumidification est obtenu par refroidissement de l'air. Il est donc nécessaire de le réchauffer si l'on veut retrouver la température sèche avant déshumidification.

5.1.2) Modélisation sur le diagramme de l'air humide :

Ce procédé est peu économique du point de vue énergétique mais la dépense est minimisée par la récupération de la chaleur du groupe de condensation pour retrouver la température sèche de l'air à l'entrée après déshumidification.

Il consiste donc à utiliser une machine frigorifique (PAC) pour réchauffer l'air au moyen du condenseur dont la puissance calorifique provient de la puissance de la batterie froide et de la puissance du compresseur.
Dans le cas ou toute la puissance calorifique ne peut pas être évacuée sur l'air, il faut prévoir une décharge de la chaleur de condensation dans un autre échangeur.
Il ne fonctionne plus ou très mal lorsque la température de surface doit être inférieure ou égale à 0 °C (givrage de la batterie).

5.2) Déshumidification par adsorption :

5.2.1) Principes :

L'eau contenue dans l'air est mise au contact de substances qui possèdent des propriétés de sorption, c'est à dire d'adsorber la vapeur d'eau. L'adsorbant solide le plus utilisé est le gel de silice ou silicagel.

D'autres matières comme l'alumine activée ou le chlorure de lithium sont aussi utilisées.
Pour être réutilisé avant saturation complète, l'adsorbant doit être régénéré ( séché) par de l'air très chaud.

L'adsorbant est constitué par une roue entraînée en rotation : pendant qu'une zone est régénérée, l'autre assure la déshumidification.

La régulation du cycle intervient sur la vitesse de rotation de la roue suivant l'humidité à obtenir.

5.2.2) Modélisation sur le diagramme de l'air humide :

L'évolution se fait sensiblement suivant un isotherme humide.
En première approximation, on peut considérer que l'évolution est isenthalpe.

Dans la pratique, on utilise les documents constructeurs pour tracer l'évolution et déterminer le débit d'eau de déshumidification.

Pour retrouver la température sèche de l'air, il faut effectuer un refroidissement sensible (sans condensation ).

Puissance de régénération (ou de séchage de l'adsorbant) :

 Φ_reg = m_as . [ ( r_E – r_S ) . Lv + ( h_X – h_E ) ] en [kW]

Quantité d'eau piégée : M_eau = qm_as . ( r_E – r_S ) en [kg_eau / s]

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⇒ Évolutions composées