À l aide du diagramme psychrométrique présentée ci-dessous répondez aux questions suivantes : C OPÉRATIONS FONDAMENTALES III C.

Transcription

1 À l aide du diagramme psychrométrique présentée ci-dessous répondez aux questions suivantes : G I J C E A F B D K

2 1. Que représente un point sur l axe des X? Température sèche. Que représenté un point sur l axe des Y? Humidité absolue (H) 3. Que représente chaque point du diagramme? Les paramètres thermodynamiques de l air à une certaine température et à la p atmosphérique 4. Que représentent les lignes courbes? Courbe de saturation + courbes d humidité relative constante 5. Que représentent les points situés sous la ligne de saturation? L air non saturé

3 6. Que représente les points situés au-dessus et à gauche de la ligne de saturation? liquide 7. Le point A est placé sur le diagramme en connaissant deux valeurs mesurables. Lesquelles? Température sèche et H 8. Quelle information obtient-on au point B? Humidité absolue - H 9. Le point C est un prolongement du point A. Quel paramètre doit rester constant lors de ce refroidissement? Humidité absolue _H 10. Quelles informations obtient-on aux points C et D? C = point de rosée D = température sèche

4 11. Le point E est un prolongement du point A. Quel paramètre doit rester constant lors de ce refroidissement? Quelle information obtient-on à ce point? L enthalpie - refroidissement adiabatique le T D à enthalpie constante 1. Le point E est obtenu comme un prolongement du point F. Quelle information lit-on en E? le T D à humidité absolue constante 13. Quelle est la transformation impliquée lors du transfert A-G? Humidification (augmentation de H) à T sèche = constante 14. Quelles informations obtient-on aux points G et I? G t sèche I humidité absolue 15. Quelles informations obtient-on aux points J et K? J enthalpie; K volume massique de l air

5 L utilisation du diagramme psychrométrique (unités anglaises) L air entrant dans un humidificateur a les caractéristiques suivantes: une température de 80 F et un point de rosée de 59 F. Déterminez à l aide du diagramme psychrométrique : a) L humidité relative b) L humidité absolue c) La température du thermomètre sec d) La température du thermomètre humide e) L enthalpie f) Le volume massique de l air

6 Questions de vérification Quelle est la différence entre un gaz et la vapeur? Quelle est la différence entre l air sec et l air atmosphérique? Qu entend-on par «pression de vapeur»? Quelle est la différence entre l humidité absolue et l humidité relative? Peut-on obtenir de l air saturé à partir de l air non saturé sans ajouter de l humidité? De quelle manière? Qu entend-on par point de rosée? Dans quelles circonstances la température du thermomètre sec est-elle égale à la température du thermomètre humide? Sinon la température du thermomètre sec estelle plus grande ou plus faible que celle du thermomètre humide?

7 Questions de vérification Vous portez des verres. Dans quelle situation vos verres s embueront-ils l hiver: lorsque vous entrez dans une maison ou lorsque vous en sortez? Pourquoi? Presque tous les matins d hiver, dans les pays nordiques, il faut dégager le parebrise de l automobile couvert de givre. D où provient ce givre? Supposez qu il n a ni neigé ni plu la nuit précédente. À quel endroit, sur le diagramme psychrométrique, la température du thermomètre sec, celle du thermomètre humide et le point de rosée sont-ils identiques?

8 Système gaz-liquide ❶ Implique transfert de matière entre une phase liquide pure et un gaz insoluble dans le liquide ❷ Le transfert de matière influence le transfert de chaleur ❸ Le cas le plus simple- le liquide ne contient qu un seul composant (pas de gradient de concentration) ❹ Système air-eau buts industriels : a) Refroidissement de l eau b) Humidification de l air c) Déshumidification de l air ❺ Le refroidissement de l eau dans une tour de refroidissement Liquide chaud + gaz froid ❻ L humidification déshumidification adiabatique - Chambre à jets Humidification: Gaz chaud non saturé + liquide froid Déshumidification: Gaz chaud saturé + liquide froid

9 1.3. Humidification adiabatique Consiste à pulvériser finement l eau (à l aide d air comprimé) dans l air sans apport d énergie thermique L objectif: refroidir ou humidifier l air L eau pulvérisée s évapore en contact avec l air non saturé Pas d apport de chaleur puisque la chaleur nécessaire à l évaporation de l eau est prise sur l air Diminution de la température de l air et augmentation de H R L enthalpie totale de l air humide reste la même (h perdue par l air = hgagnée par l eau ) h constante = humidification isenthalpique = adiabatique Dans le cas limite, l air humidifié devient saturé Diagramme psychrométrique droites de h constante

10 Mécanisme d interaction liquide-gaz Humidification adiabatique (cas le plus simple) Mécanisme qui suit les droites de refroidissement adiabatique (diagramme P.) Ordonnée T, h et H; Abscisse distance perpendiculaire à l interface L eau (plus froide que le gaz) est atomisée dans un gaz chaud insaturé Transfert de l eau vers l air L humidité augmente est se rapproche de l humidité de saturation La T eau = constante Énergie libérée par l eau et énergie captée par l air sont =0 La chaleur sensible air = la chaleur latente air

11 1.3. Humidification adiabatique Chambre à jets Humidification adiabatique industrielle Gaz chaud non saturé + liquide froid atomisé Température de l eau reste constante Le gaz peut être refroidi ou humidifié sans nécessairement atteindre la saturation

12 1.3. Humidification adiabatique Saturation adiabatique Obtenue si écoulement en régime permanent d air humide T 1 est connue, H 1 = inconnue Conduite adiabatique dans lequel se trouve un réservoir d eau liquide H O s évapore et se mélange à l air L humidité dans l air croît durant l évolution et sa température diminue (une partie de la chaleur latente d évaporation de l eau provient de l air) Si le conduit est suffisamment long, l air devient sature à la T T = température de saturation adiabatique H 1, 1,, H R1, T 1 H,, H R = 100%, T H O d appoint (à T ) est ajoutée dans le conduit pour compenser le taux d évaporation Air L' eau Bilan massique sec m& 1 m& V1 = m& + m& ev = m& = m& V m& m& m& V1 ev = débit massique d' air sec ( kg / h) = débit massique de vapeur à l' état 1 ( kgvapeur / h) = débit massique de l' eau qui s' évapore ( kgh O / h)

13 1.3. Humidification adiabatique La masse de la vapeur peut être exprimée en fonction de l humidité absolue: m& = v m& H (1.16) On introduit (1.16) dans l équation de bilan massique de l eau et on obtient: m& m& ev H 1 = m& + m& ev ( H H ) 1 = m& H (1.17) Bilan énergétique E entrée E m& h + m& h = m& = sortie 1 ev ev h (1.18) La substitution de 1.17 en 1.18,conduit à: m& h + & ( h = m& h (1.19) 1 m H H1) ev Simplification par le débit d air sec h1 + ( H H1) hev = h (1.0)

14 1.3. Humidification adiabatique On exprime h 1 et h à l aide de l expression: ( C PT + H1hV ) + ( H H1) hev = ( CPT + H h 1 V H est l humidité à la saturation, donc elle peut être exprimée à l aide de la relation (1.8) cours1: P H S = H S = 0, 6 P P (1.) S Le calcul de H permettra de calculer par la suite H 1, à l aide de la relation: ) H 1 C ( T T ) + H h h P 1 = V ev h ev (1.1) La chaleur latente de vaporisation de l eau (h ev ) est donnée par l équation : hev = λ = 495,80, 346T (1.3)

15 1.3. Humidification adiabatique Table 1.3 Variables de la vapeur d eau saturée

16 1.3. Humidification adiabatique Chauffage avec humidification Évolution 1- = séchage = humidité constante (H 1 = H ) Évolution -3 = humidification = humidité augmente H3 f H T 3 < T (l air cede une partie de chaleur pour vaporiser l eau)

17 1.3. Humidification adiabatique Soit une système de conditionnement d air qui admet de l air provenant de l extérieur à 10 C avec une humidité relative de 30 % et un débit volumique de 45 m 3 /min. Le système est conçu pour décharger l air à l intérieur à 5 C avec une humidité relative de 60 %. L air extérieur est premièrement porté à C dans la section chauffée du conduit, puis de la vapeur d eau chaude est ajoutée à l écoulement dans la section humidifiée. Déterminez: a) La chaleur transmise dans la section chauffée b) Le débit massique de vapeur ajoutée dans la section humidifiée. Supposez que l écoulement demeure à 100 kpa. Variable thermodynamique: C p (air) = 1,005 kj/kgkkgk Section chauffage (1-) Bilan massique de l air sec m & & = m& 1 = m Bilan massique d eau m& 1 H = H 1 H 1 = m& H

18 1.3. Humidification adiabatique Bilan énergétique 1) Calcul m& E Q& Q& entrée entrée entrée = E + m& = m& sortie h 1 = m& ( h h ) 1 h H R PV (%) = 100 P S P S (10 C) = 1,81 kpa (table 1.1. cours 1) P V m P V1 = 0,368 kpa V m = M = 0,815 m R T 3 / kg P 1 = 99,63 kpa =V 3 V1 m 1 kg kg m& = & = 45 = 55, 3 V ' min 0,815 m min

19 1.3. Humidification adiabatique ) Calcul de h 1 et h h h 1 = CpT 1 = CpT + H h + H 1 v1 h v C p (air) = 1,005 kj/kgk H 1 = H H PV 1 = 0,607 0,003kgeau / kg P 1 = 1 h v1 et h v = enthalpie de la vapeur d eau à saturation (table 1.3 dernière colonne) h v1 (10 C) = 519, kj/kg h v ( C) = 541,1 kj/kg

20 h h 1 = 15,8kJ / kg = 8,0kJ / kg Q& ( ) entrée = m& h h1 = 55,(8 15,8) = 673kJ Q& entrée = 673 kj / min / min Section - humidification Bilan massique d eau m& m& H O H = m& + m& H ( H H) 3 O = m& 3 H 3 H R PV (%) = 100 P S P S (5 C) = 3,1698 kpa (table 1.1.) H 3 = 0, 607 P PV 3 P V 3 P V3 = 1,90 kpa H 3 = 0,0106 kg H O/kg

21 m& H O = m& = 0,539kgH O ( H H ) = 55,(0,0106 0,003) 3 / min = m& H 0,539 kg H O = O / min

22 1.4. Tour de refroidissement Tour de refroidissement humide = refroidissement atmosphérique) Échangeur thermique utilisé pour dissiper des lourdes charges calorifiques dans l atmosphère Composante importante en industrie Hauteur peut dépasser 100 m; forme hyperboloïde Matériau de construction: béton Remplissage: anneaux ou billes de plastique ou verre Contact direct entre l eau chaude et l air ambiant Son efficacité dépend de la surface de contact Augmenter la surface de contact l'eau est diffusée en gouttelettes dans un courant d'air qui traverse la tour Les tours en béton ont une hauteur considérable (souvent dépasse 100 m) et une forme hyperboloïde

23 1.4. Tour de refroidissement L air est aspiré par un ventilateur (pénètre par le bas et ressort au sommet circulation naturelle ou forcée) L eau chaude est pulvérisée au sommet de la tour Les gouttelettes en tombant sont refroidies par l air ascendant Une petite quantité d eau s évapore L air ascendant se réchauffe et se charge d humidité L eau refroidie (entre 5 et 10 C de moins que la température d entrée) est récupérée dans un bassin et réutilisée Type particulier de colonne garnie L air arrive par goulottes et descend en cascade sur des grillages milieu propice au développement et à la dissémination par les aérosols de la bactérie Legionella qui provoque la maladie du légionnaire

24 1.4. Tour de refroidissement Humidification: Haut d une tour de refroidissement Objectif: refroidir l eau ou humidifier l air Haut Bas

25 1.5. Colonne garnie Schéma de l opération dans une tour garnie Transfert de masse par «brassage» de la portion turbulente Diffusion moléculaire à l interface de la goutte d eau et de la bulle d air La vapeur d eau se diffuse dans la bulle d air Plus la colonne est large, plus est elle adiabatique Application en environnement (CO solution)

26 1.5. Colonne garnie masse(ah) sortie - masse(ah) entrée =? masse() sortie = masse() entrée masse(eau) sortie = masse(eau) entrée Taux de transfert = débit massique/h H = m sortie Vsortie m m Vsortie Ventrée H entrée = (1.4) m m = m H Ventrée entrée sortie m = m H (1.5) b. Débit massique d eau transféré à l air & (1.6) m = m& ( H H H O sortie entr )

27 1.5. Colonne garnie Équation du taux de transfert dans une colonne garnie Na K g air Naair = K g a( Pi Pg ) SZ = taux de transfert del' eau dans l' air( moles / h) = coefficient de transfert ( cons tan t le long a = surface de contact P = pression partielle de l' eau i saturée à Tmoyenne( tables) P g = pression partielle de l' eau Z = hauteur de garnissage ( m) par unité de volume ( m dans l' air( kpa) S = sec tion transversale de la colonne ( m ) de la colonne) ( moles / h m / m 3 ) difficile à évaleur à l'int erface( kpa) pression de vapeur kpa) Similaire à une équation de transfert de chaleur laquelle contient un coefficient de transfert

28 1.4. Humidification dans une colonne garnie à contre-courant Coefficient de transfert dépend de: 1. Des propriétés physico-chimiques des composants en présence. Caractéristiques de l équipement utilisé 3. Conditions de l écoulement 4. Doit être positif la différence de pressions partielles doit être écrite pour être + Problèmes: 1. Le coefficient de transfert de matière doit être évalué. La surface normale au transfert a n est pas toujours connue 3. Le taux de transfert de matière n est pas constant le long de l appareil(différence de pression variable) il faudrait intégrer l équation pour évaluer la performance de l équipement entier) 4. La valeur de la pression partielle du composant transféré à l interface est difficile à évaluer on suppose qu il n y a a pas de résistance au transfert et que la phase gazeuse est en équilibre avec la phase liquide à l interface P(interface du liquide) = p(vapeur à T liquide )