I. LES DIFFERENTES OPERATIONS DE TRAITEMENT DE L'AIR

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1 TRAITEMENT DE L'AIR I. LES DIFFERENTES OPERATIONS DE TRAITEMENT DE L'AIR I.1. REMARQUE PRELIMINAIRE Le débit massique d air sec est la seule grandeur qui reste constante quel que soit le traitement étudié: chauffage, refroidissement et/ou déshumidification, humidification. I.2. CHAUFFAGE I.2.a. Généralités Il y a augmentation de température par apport de chaleur sensible uniquement (il n y a ni condensation, ni évaporation d humidité : r s = Cte). Le chauffage se fait par passage de l air sur une batterie chaude qui peut être : un échangeur alimenté par de l eau chaude, une résistance électrique (pour les faibles puissances). Représentation sur le diagramme psychrométrique: 1 2 r = constante θ 1 θ 2 I.2.b. Calcul de la quantité de chaleur gagnée par l air au passage sur une batterie chaude hs 1 hs 2 h 1 2 θ 1 θ 2 Chap3: Traitement de l'air 1

2 Elle correspond à l augmentation d enthalpie de l air : DH s = H s 2 - H s 1 kj/kgas Exercice: hs 1 hs 2 h v 1 v 2 r = Cte ϕ 1 1 ϕ2 2 θ 1 θ 2 Déterminer la quantité de chaleur qu il faut fournir à 1 kg as pour amener sa température à 25 C. Corrigé: rs1 = rs2 = 0,0063 [kgvap/ kgas] ϕ1 = 60 % ϕ2 = 32 % Hs 1 = 31 kj/ kgas Hs 2 = 41 kj/ kgas Vs 1 = 0,824 m3/ kgas Vs2 = 0,852 m3/ kgas θr1 = θr2 = 7 C θh1 = 10,8 C θh2 = 15 C La puissance P à fournir à cet air humide pour passer de l'état 1 à l'état 2 est par suite: P= Hs 2 - Hs 1 = = 10 kj/ kgas I.2.c. Puissance fournie à l air par une batterie chaude C est le produit du débit massique d air sec par la variation d enthalpie spécifique. Exercice 1 { P = Qmas 123 { hs kj 123 / s kgas/ s kj/ kgas kw Qv = 200m 3 /h θs 1 = 15 C θh 1 = 10 C v 1 = 0,823m 3 /kg as θs 2 = 20 C 1. Donner les caractéristiques de l air après passage sur la batterie chaude 2. Déterminer la puissance de la batterie Chap3: Traitement de l'air 2

3 Réponse: θs2 = 22 C, θh2 = 13,2 C, θr2 = 6 C ϕ2 = 34 %, v2 = 0,844 m3/kg as, M2 = 0,0055kg/kg hs2 = 36 kj/kg hs1 = 29,2 kj/kg Dh = = 6,8 kj/kg Qmas = 200/0,823 = 243kg as/h = 0,0675 kg as/s P = 0,0675 x 6,8 = 0,459 kj/s = 0,459 kw Remarque : Exercice 2 Calcul de Qv2 Qv2 = v2. Qmas = 0,843 x 243 = 205 m 3/h Attention, c est la débit massique qui est constant. Air Extérieur Qv = 1000m 3 /h θs 1 = 15 C ϕ 1 = 80 % P = 5 kw Quelle est la température de l air après la batterie de préchauffage? Réponse : V1 = 0,793 m3/h Qmas1 = 1000/0,793 = 1261 kg as/h = 0,350 kg as/s hs1 = 15 kj/kg as P = 0,35 (hs2 - hs1) hs2 = (P/0,35) + hs1 = (5/0.35) + 15 = 29,3 kj/kg as θs2 23,6 C I.2.d. Technologie, régulation, sécurité Batterie à eau chaude Technologie La batterie comporte un certain nombre de tubes sur lesquels sont serties ou soudées des ailettes. Les tubes constituent un certain nombre de circuits qui sont reliés à un distributeur et un collecteur afin de limiter les pertes de charge. Remarque: En ce qui concerne l'évolution des températures dans ce type d'échangeur ainsi que son efficacité (cf. cours de thermique chap5: éc hangeurs). Chap3: Traitement de l'air 3

4 Régulation La solution la plus utilisée est une régulation de la puissance fournie par variation de débit (V2V ou V3V montée en répartition ou décharge inversée) car il s'agit de la solution la moins onéreuse. On constate néanmoins une assez grande instabilité de ce type de régulation (notamment pour les batteries de faible efficacité, inférieure à 10%): pour des débits proches du débit nominal, la puissance émise reste inchangée alors que pour les faibles débits on a quasiment affaire à du pompage. Techniquement, il vaut mieux une régulation par modification de la température d'entrée (montage en mélange); en effet ce procédé qui implique la mise en place d'une pompe et donc un coût d'exploitation plus élevé, possède une très bonne progressivité de régulation (linéarité quasi idéale entre la température d'entrée et la puissance émise) Chap3: Traitement de l'air 4

5 Protection anti -gel (TAG) Un thermostat de sécurité anti-gel (TAG) à réarmement manuel est placé après la batterie chaude afin d'éviter un éclatement du circuit d'eau sous l'effet du gel (en cas de déficience d'alimentation en eau chaude et d'air à température négative). Ce thermostat, lorsqu'il détecte une température inférieure à la consigne anti-gel (5 C par exemple): - force l'ouverture de la vanne de régulation - arrête les ventilateurs (soufflage, reprise..) - ferme le volet d'air neuf - enclenche une alarme Batterie électrique Technologie La batterie comporte un ensemble d'épingles ailetées contenant des résistances. Pour les petites puissances, l'alimentation est monophasée. Pour les puissances les plus élevées, l'alimentation est triphasée. Chap3: Traitement de l'air 5

6 Régulation Régulation en cascade ou étagée Les résistances élémentaires sont associées de façon à constituer des ensembles de puissances différentes. Les résistances ainsi obtenues alimentées à travers des contacteurs, eux-mêmes commandés par un commutateur électronique ou électromécanique (cames entraînées par un moteur). Cette disposition permet une bien meilleure progressivité qu'avec le même nombre de résistances identiques. Chap3: Traitement de l'air 6

7 Régulation progressive par variation de puissance Les résistances sont alimentées par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique (également appelé triac) qui permet un nombre de commutations pratiquement infini. C'est la durée d'impulsion qui fait varier la puissance de la résistance. Sur une période, la puissance moyenne est égale à: temps de marche P = Pn temps de marche temps d'arrêt + A noter que les variateurs de puissance sont des matériels encore coûteux pour les puissances élevées, de sorte que l'on combine les 2 types de régulation en pilotant le dernier étage avec un variateur de puissance. Chap3: Traitement de l'air 7

8 Protection contre les surchauffes Contrairement aux échangeurs, la puissance émise reste constante quel que soit K (coefficient d'échange).* Si K diminue (suite à un encrassement ou une diminution du débit), alors la température de la résistance va augmenter. Aussi, pour éviter une détérioration de la résistance, on met en place les dispositifs de sécurité suivants: - Thermostat à réarmement manuel en sortie de batterie - Interrupteur thermique fixé sur la résistance - Un contrôleur de débit - Le fonctionnement de la résistance est asservi au fonctionnement du ventilateur Batterie à vapeur La technologie des batteries à vapeur est semblable à celle des batteries à eau chaude; on distingue seulement une alimentation par le haut afin d'évacuer gravitairement les condensats. La régulation est réglée au moyen d'une vanne 2 voies en fonction des besoins. Avantages (par rapport à une batterie à eau chaude): - Mise en régime plus rapide - Pas de risque de gel puisqu'il n'y a pas d'eau dans la batterie lorsque celle-ci n'est pas alimentée (évacuation gravitaire des condensats). Chap3: Traitement de l'air 8

9 I.3. REFROIDISSEMENT SANS DESHUMIDIFICATION (R S =CTE) I.3.a. Présentation La température de surface de la batterie est supérieure à la température de rosée de façon à ce qu il n y ait pas de condensation. La batterie n échange avec l air que de la chaleur sensible. On parle de batterie sèche. Le refroidissement se fait par passage de l air sur une batterie froide qui peut être : un échangeur alimenté par de l eau glacée (glycolée ou non), un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe). Représentation sur le diagramme psychrométrique: 2 1 I.3.b. Calcul de la puissance de la batterie froide { P = Qmas 123 { h kj/s kgas/s kj/ kgas (> 0) C est le produit du débit massique d air sec par la variation d enthalpie spécifique. Exercice air 1 Qv = 500 m 3 /h θs 1 = 35 C air 2 ϕ 1 = 30 % P = 2 kw Déterminer les caractéristiques de l air après passage sur la batterie froide sèche. Chap3: Traitement de l'air 9

10 1 2 θs θh 17,5 21,5 θr Corrigé: ϕ 30 % 63 % r 0, v1 = 0,886 m3/kg as Qmas1 = (500/0,886) = 564 kg as/h = 0,157 kg as/s hs1 = 62 kj/kg as v 0,886 0,851 P = -Qmas1 (hs2 - hs1) d où hs2 - hs1 = -P/Qmas1 donc hs2 = hs1 - (P/Qmas1) hs2 = 62 - (2/0,157) = 49 kj/kg as I.4. REFROIDISSEMENT AVEC DESHUMIDIFICATION I.4.a. Présentation La chaleur cédée par le fluide se décompose: - chaleur sensible (diminution de la température) - chaleur latente (diminution de l'humidité) La température de surface de la batterie est inférieure à la température de rosée de sorte qu il se produit une condensation de la vapeur d'eau. Le refroidissement se fait généralement par passage de l air sur une batterie froide humide qui peut être comme pour une batterie froide sèche: un échangeur alimenté par de l eau glacée (glycolée ou non), un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe). Il existe d'autres appareils permettant de réaliser le traitement de déshumidification de l'air qui sont les sécheurs, mais dont l'emploi est souvent spécifique (moins généralisé que les batterie froides). Il en existe plusieurs types: - Par absorbant liquide (solution à 40% de chlorure de Lithium par exemple pulvérisée sur l'air puis régénérée); exemple: sécheur "Kathabar". - Par adsorbant solide (utilisation de matériaux hygroscopiques très poreux régénérés par chauffage). NB : dans les sécheurs, l air n est pas refroidi. Représentation sur le diagramme psychrométrique: Les caractéristiques de l air en sortie de BF dépendent de la température du fluide de refroidissement. - Pour une batterie à détente directe T FPT = Tévap - Pour une batterie à eau froide TFPT = (Te+Ts) /2 Cette température permet de connaître le point de fin de processus théorique (FPT) qui est indispensable pour le tracé de cette évolution dans le diagramme de l AH. Ce point (FPT) correspond à la couche limite (d'air) au contact de la pellicule d'eau condensée à la surface de la batterie froide, considérées à la même température que la température moyenne du fluide primaire. Chap3: Traitement de l'air 10

11 L'air à la sortie de la batterie est en effet le résultat du mélange entre l'air non-affecté par le traitement et l'air saturé (FPT). La proportion de ce mélange dépend de l'efficacité de la batterie h1 h ε = h h 1 2 FPT r = r S 1 S 1 r r S 2 S FPT θ1 θ = θ θ 1 2 FPT Remarque On cherche à éviter le colmatage par givrage de la batterie (dans le cas contraire, on met en place un système de dégivrage) donc la température du fin de processus doit être supérieure à 0 C, ce qui fixe une limite pratique à la déshumidification de l'ordre de 4 à 5 [g/kgas]. Aussi, pour obtenir une déshumidification suffisante, on cherche des batteries dont l'efficacité de l'ordre de 80%, grâce à: - Une surface d'échange importante - Une grande épaisseur de batterie (plusieurs rangs) - Un pas d'ailette faible (<3mm) et une bonne irrigation de la batterie (nombre de circuits élevés). I.4.b. Calcul de la quantité de chaleur cédée par l air: Même calcul que pour une batterie froide sèche mais une partie de l'énergie cédée par l'air provient de sa chaleur latente (déshumidification). Chap3: Traitement de l'air 11

12 I.4.c. Technologie Lorsque l air a une vitesse supérieure à 3m/s il est indispensable de prévoir un séparateur de gouttelettes. L eau condensée est collectée dans un bac puis évacuée au travers d un siphon, dont la garde d'eau évite l'introduction d'air "extérieur" dans le circuit aéraulique. I.4.d. Exercice On cherche à connaître la puissance et l efficacité d'une batterie froide. La température avant la batterie est de 25 C la température après la batterie est de 10 C, l'humidité spécifique passe de 11 g/kg air sec à 7.5g/kgairsec. Le débit d'air est de 3 kg/s. L'enthalpie initiale et finale de l'air sont respectivement égale à 53.5 kj/kgair sec et 29 kj/kgair sec La puissance de la batterie froide est donc de P = m x H = 1.02 x m x T x m x r S P = 3 x ( ) = 73.5 kw = 1.02 x 3 x (25-10) x 3 x ( ) = kw Remarque Dans ce cas l'humidité spécifique de l'air varie lorsque celui ci passe à travers la batterie froide, d'ou la puissance totale est équivalente à la puissance sensible + puissance latente. Chap3: Traitement de l'air 12

13 I.5. HUMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR I.5.a. Généralités Elle est réalisée par injection de vapeur produite par un générateur de vapeur (à une température de 100 C sous une pression de 1 bar). Dans ces conditions, l évolution de l air se fait à température constante (la chaleur sensible apportée est largement négligeable devant la chaleur latente). I.5.b. Calcul de la quantité de vapeur injectée Evolution de l air 2 r 1 1 r 2 θs 1 On ne dimensionne pas le générateur en fonction de sa puissance mais en fonction du débit de vapeur à fournir. r2 r1 = { Mv kg vapeur/ kgas Si on désigne par Mv la masse spécifique de la vapeur injectée par kg as Qmv : débit massique de vapeur d eau (kg vapeur/s) Mv { = r 2 r1 kgv / kgas { Qmv = { Mv Qmas 123 kgv/ s kgv/ kgas kgas/ s I.5.c. Calcul de la quantité de chaleur apportée hs = hs2 hs1 Exercice 1 : HUMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR Chap3: Traitement de l'air 13

14 air 1 Qv = 500 m 3 /h θs 1 = 25 C ϕ 2 = 50 % ϕ 1 = 20 % Déterminer le débit de vapeur à injecter. Vapeur I.5.d. Technologie On peut classer les humidificateurs de vapeur en 2 catégories: - Les humidificateurs qui utilisent la vapeur d'un réseau (production centralisée) - Les humidificateurs autonomes qui produisent eux-mêmes la vapeur Humidificateurs reliés à un réseau de vapeur (grosses puissances) Chap3: Traitement de l'air 14

15 Humidificateurs autonomes (de 1 à 80kW soit 1 à 10kg/h) On distingue 3 types de générateurs de vapeur autonomes selon le procédé de chauffage et de vaporisation utilisé: - A résistance (le plus courant) - A électrodes - A rayonnement infrarouge Remarque Le dispositif de production de vapeur doit être relié à la rampe d'injection en respectant les pentes afin de permettre l'écoulement des condensats. Il est également indispensable de préserver une longueur droite et sans obstacle, suffisante après la rampe d'injection, afin d'éviter tout risque de condensation sur les parois. I.6. HUMIDIFICATEUR ADIABATIQUE : I.6.a. Principe On pulvérise de fine gouttelette d'eau dans l'air à humidifier. Une partie de ces gouttelettes vont s'évaporer en empruntant de la chaleur à l'air, l'air va se refroidir et son humidité va augmenter. La chaleur sensible qu'il perd en se refroidissant est compensée par la chaleur latente qu'il gagne en s'humidifiant, si bien que la quantité de chaleur totale contenue dans l'air ne varie pas. l'enthalpie ne varie pas au cours de cette transformation. Chap3: Traitement de l'air 15

16 L'humidification est représentée par une droite, le sens d'évolution se fait de la droite vers la gauche selon une isenthalpe. I.6.b. Technologie On distingue les laveurs à eau recyclée (LER) des humidificateurs à pulvérisation directe (rotatifs ou à ultrasons). Laveurs à eau recyclée (LER) - A ruissellement - A pulvérisation Chap3: Traitement de l'air 16

17 II. COMPOSITION D'UNE CTA On retrouvera principalement les éléments suivants en fonction du cas étudié: Eléments Symbole Fonction Caisson de mélange Mélanger l'air neuf (AN) et l'air recyclé (AR), les proportions étant fixées par les registres d'air eux-mêmes actionnés par un servomoteur commandé par le régulateur) Les caractéristiques de l'air obtenu en sortie du caisson dépendent des caractéristiques des airs neuf et repris Filtre Retenir les particules en suspension dans l'air. Il ne modifie pas les caractéristiques thermodynamiques de l'air. Batterie froide Batterie chaude - + Refroidir et/ou déshumidifier l'air. La batterie froide agit sur la température de l'air et sur l'humidité spécifique (généralement). La régulation se fait généralement par vanne 3 voie (en fonction du débit) Réchauffer l'air. Seule la température de l'air est modifiée. La régulation se fait généralement par vanne 3 voie (en fonction du débit) Batterie électrique Réchauffer l'air. La régulation se fait généralement en cascade avec éventuellement variation de puissance sur le dernier étage de puissance. Humidificateur Augmenter la quantité d'eau (vapeur) contenue dans l'air (à traiter). Suivant le type de technologie (à vapeur ou adiabatique), la température reste quasiment constante ou diminue. Dans tous las cas l'humidité spécifique augmente. Ventilateur Distribuer l'air dans les réseaux. Ne modifie quasiment pas les caractéristiques de l'air soufflé (léger échauffement...) Chap3: Traitement de l'air 17

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