Institut Supérieur des Etudes Technologiques de RADES Département Génie Mécanique
Cours
Conception et dimensionnement des installations de climatisation Classes : Deuxième année Licence appliquée en génie mécanique Parcours : Climatisation industrielle
Ayadi Walid ayadi.walid@gmail.com
Année universitaire : 2013-2014
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TABLE DES MATIERES 1. Introduction ................................................................................................... 9 1.1.
La climatisation ............................................................................................................ 9
1.2.
Le confort ..................................................................................................................... 9
1.3.
Domaines de climatisation ........................................................................................ 11
1.4.
Besoin en climatisation .............................................................................................. 12
1.4.1.
Chauffage-rafraîchissement .......................................................................................... 12
1.4.2.
Climatisation de confort ................................................................................................ 12
1.4.3.
Conditionnement d’air .................................................................................................. 13
1.5.
Respect de l’environnement ...................................................................................... 14
2. Généralités sur le traitement de l’air ........................................................ 17 2.1.
Propriétés et grandeurs de l’air humide .................................................................... 17
2.1.1.
Constituants de l’air ...................................................................................................... 17
2.1.2.
Caractéristiques de l’air humide ................................................................................... 18
2.1.3.
Diagramme de l’air humide ........................................................................................... 26
2.1.4.
Exercices d’application .................................................................................................. 30
2.2.
Les évolutions élémentaires de l’air .......................................................................... 39
2.2.1.
Chauffage ...................................................................................................................... 39
2.2.2.
Refroidissement ............................................................................................................ 40
2.2.3.
Humidification ............................................................................................................... 42
2.2.4.
Mélange de deux airs .................................................................................................... 45
2.2.5.
Exercices d’application .................................................................................................. 46
3. Les charges thermo-hydriques .................................................................. 50 3.1.1.
Les charges estivales : ................................................................................................... 50
3.1.2.
Les charges hivernales :................................................................................................. 51
3.2.
Bilan thermo-hydrique ............................................................................................... 51
3.2.1.
Les facteurs influant sur la charge d’un Local: .............................................................. 53
3.2.2.
Conditions de soufflage ................................................................................................. 53
3.2.3.
Etude de cas : ................................................................................................................ 55
4. Les centrales de traitement d’air............................................................... 57 4.1.
Introduction ............................................................................................................... 57
4.2.
Constitution des centrales de traitement d’air ......................................................... 58
4.2.1.
Caisson de mélange ....................................................................................................... 59
4.2.2.
Caisson de filtration....................................................................................................... 60
4.2.3.
Batterie chaude ............................................................................................................. 60
4.2.4.
Batterie froide ............................................................................................................... 61
4.2.5.
Caisson de bipasse......................................................................................................... 64
4.2.6.
Humidificateur............................................................................................................... 64
4.2.7.
Ventilateur..................................................................................................................... 65
4.2.8.
Accessoires .................................................................................................................... 66
4.3.
Type et position des caissons .................................................................................... 67
4.3.1.
4.4.
Caisson de mélange à 3 registres............................................................................... 71
4.4.1.
4.5.
Exercices 1 ..................................................................................................................... 69
Exercices 2 ..................................................................................................................... 71
Les caissons de mélange sur les caissons alignés ...................................................... 73
4.5.1.
Exercices 3 ..................................................................................................................... 74
Références bibliographiques Annexes
LISTE DES FIGURES Figure 1. Facteurs influants sur la perception du confort chez l’être humain ......................... 11 Figure 2. Courbe de saturation de l’air humide dans le plan (Ps,T) ......................................... 21 Figure 3. Diagramme de l'air humide (source : Traitement de l’air et climatisation, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique) ............................................................. 29 Figure 4. Imprime écran de la calculatrice psychrométrique du logiciel « DimClim »............. 34 Figure 5. Opération de chauffage de l'air ................................................................................. 39 Figure 6. Représentation d’un échauffement à pression constante sur le diagramme de l’air humide ...................................................................................................................................... 40 Figure 7. Opération de refroidissement avec déshumidification de l’air................................. 40 Figure 8. Représentation d’un refroidissement avec déshumidification à pression constante sur le diagramme de l’air humide............................................................................................. 41 Figure 9. Opération d'humidification par injection de vapeur d'eau ....................................... 42 Figure 10. Représentation d’une humidification par injection de vapeur d’eau sur le diagramme de l’air humide ...................................................................................................... 43 Figure 11. Opération d'humidification par pulvérisation d'eau ............................................... 43 Figure 12. Représentation d’une humidification adiabatique sur le diagramme de l’air humide ...................................................................................................................................... 44 Figure 13. Opération de mélange de deux airs ........................................................................ 45 Figure 14. Représentation d’un mélange de deux airs à pression constante sur le diagramme de l’air humide .......................................................................................................................... 46 Figure 15. Les apports des charges estivales dans l'habitacle ................................................. 50 Figure 16. Les déperditions des charges hivernales dans l'habitacle....................................... 51 Figure 17. Point de soufflage en saison estivale par rapport au point de l’intérieur .............. 52 Figure 18. Point de soufflage en saison hivernale par rapport au point de l’intérieur ............ 52 Figure 19. Droite de pente de soufflage ................................................................................... 54 Figure 20. Photo d'une CTA ...................................................................................................... 57 Figure 21. Exemple de composition d'une CTA ........................................................................ 58
Figure 22. Volets d'un caisson de mélange .............................................................................. 59 Figure 23. Exemple de montage d’un caisson de mélange ...................................................... 59 Figure 24. Batterie chaude ....................................................................................................... 62 Figure 25. Batterie froide ......................................................................................................... 63 Figure 26. Humidificateurs adiabatiques ................................................................................. 65 Figure 27. Ventilateur centrifuge ............................................................................................. 66
LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Exemple de recommandation des conditions de confort dans l'habitacle d’une voiture relatives aux conditions de base d’été (NF ISO 7730) ................................................. 10 Tableau 2. Exemple de conditions climatiques extérieures de base en été ............................ 10 Tableau 3. Les unités des grandeurs de base dans le système international (SI) .................... 18 Tableau 4. Liste non exshaustive de logiciels de psychrométrie ............................................. 27 Tableau 5. Tableau comparatif des caractéristiques d’un point d'air humide obtenues par trois méthodes.......................................................................................................................... 35 Tableau 6. Qualité des filtres .................................................................................................... 60
1 Introduction
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Chapitre 1 : Introduction
1. Introduction 1.1. La climatisation La climatisation est une technique qui permet de maintenir l’ambiance d’un milieu dans les conditions de confort de l’être humain quelques soient les conditions extérieures. La climatisation ne se limite pas uniquement au refroidissement d’une ambiance. La climatisation est un concept plus général qui permet d’apporter un chauffage et/ou un refroidissement et/ou une déshumidification ou même un simple brassage et une ventilation indispensables pour atteindre le confort optimal. On peut dire que la climatisation est un ensemble de processus qui consiste à manipuler et faire varier les caractéristiques aéro-thermo-physiques de l’air.
1.2. Le confort Le confort est une sensation de bien être lorsqu'on est exposé à une ambiance où plusieurs conditions doivent se rassembler. En effet, Le confort ne dépend pas exclusivement de la température, mais également des conditions d'humidité de l'air intérieur, de la vitesse d’écoulement de l’air, du niveau sonore dans le milieu climatisé et de la qualité d'air intérieure (QAI). Pour un automobiliste, ces quatre aspects du confort sont indissociables car le défaut de l’un portera tort aux autres. La notion de confort reste toujours une notion subjective car sa perception est fortement liée à l’état psychologique et physiologique de l’individu. Les valeurs « de confort » proposées par les normes ou les recommandations sont des valeurs moyennes car il y a une énorme variabilité intra et surtout interindividuelle de la sensation. La température à elle seule dépend d'une température résultante sèche, sorte de moyenne des températures de l’entourage intérieur et des flux rayonnés par les différents corps et parois. La norme française NF ISO 7730 définit des exigences de confort recommandé. Le Tableau 1 montre l’ordre de grandeur des principaux facteurs de confort relatifs aux conditions de base données au Tableau 2 en saison estivale.
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Chapitre 1 : Introduction Paramètre
Usuelles
Optimales
Température sèche
20 à 30 °C
24 à 25 °C
Humidité relative
35 à 70 %
40 à 60 %
Vitesse d’écoulement d’air
0.1 à 0.15 m/s
Débit d’air
20 à 30 m3/h/personne
Filtration d’air
50 μm
Niveau sonore
58 à 65 dB (A)
Tableau 1. Exemple de recommandation des conditions de confort dans l'habitacle d’une voiture relatives aux conditions de base d’été (NF ISO 7730)
Ensoleillement
700 à 1000 W/m2
Température sèche
35 à 45 °C
Humidité relative
40 à 85 %
Vitesse relative véhicule/air
35 à 90 Km/h
Tableau 2. Exemple de conditions climatiques extérieures de base en été
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Chapitre 1 : Introduction
Echange de chaleur • • • • •
Convection Rayonnement Conduction Evaporation Sudation
Facteurs psychologiques • • •
Facteurs physiologiques • • •
Tempérament Stress Lumières et couleurs
Activité Age Santé
Facteurs thermiques • • • •
Température de l’air Température des parois Ecoulement d’air Humidités relatives
Figure 1. Facteurs influants sur la perception du confort chez l’être humain
1.3. Domaines de climatisation On peut classer la climatisation dans trois grands domaines : •
Confort des êtres humains (résidentiel, tertiaire, transport des personnes, …)
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Chapitre 1 : Introduction •
•
Conditionnement industriel pour des processus de production ou des activités sensibles (pharmaceutique, pâtisserie, micro-électronique, salle blanches, bloc opératoire, …) Stockage et conservation des produits (stock, rayons de produits alimentaires et laitiers dans les grandes surfaces, transport de produit alimentaires, …)
1.4. Besoin en climatisation Selon le type de local, son utilisation, le confort désiré, les objectifs du traitement d’air sont différents.
1.4.1. Chauffage-rafraîchissement Le chauffage et le rafraîchissement sont les traitements simplifiés appliqués à l’air ambiant. Le but est d’obtenir une température de confort en hiver et un abaissement de température de quelques degrés par rapport à l’air extérieur en été (2 à 3 K). Le traitement d’été apporte une impression de fraîcheur. Seule la température est prise en compte. L’humidité n’est pas contrôlée. Il peut en résulter occasionnellement une sensation d’inconfort. Le chauffage-rafraîchissement peut être utilisé dans tous les domaines (habitat, tertiaire, industrie) dès lors que l’aspect financier prend le pas sur l’aspect technique.
1.4.2. Climatisation de confort La climatisation de confort regroupe l’ensemble des traitements appliqués à l’air ambiant pour obtenir une ambiance interne de confort définie en température et humidité. Son but est d’obtenir toute l’année des conditions favorables à la vie des occupants, leur santé, leur bien-être. Dans l’habitat, elle vise le bien-être. Dans le tertiaire ou l’industrie, elle vise : • • •
Une amélioration de productivité au niveau du personnel ; Un agrément supplémentaire au niveau de la clientèle. Le traitement d’air prend en compte : o La température ; o L’humidité ; o La propreté de l’air (impuretés, odeurs) ; o Le niveau sonore ; o La qualité de la diffusion (mouvements d’air, vitesse).
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Chapitre 1 : Introduction La climatisation de confort s’applique à l’habitat (individuel ou collectif), au tertiaire (magasins, bureaux, bâtiments publics...) et à l’industrie (bureaux, ateliers...).
1.4.3. Conditionnement d’air Le conditionnement d’air représente l’ensemble des traitements appliqués à l’air ambiant pour obtenir des caractéristiques précises de température et d’hygrométrie liées : • • •
à l’activité ; à un process ; aux conditions de conservation des produits entreposés.
Son but est d’obtenir, toute l’année, des résultats précis, constants et fiables qui seront garants du bon fonctionnement de l’activité ou du process généré dans le local. • • • • •
Les paramètres pris en compte varient avec le type d’activité : propreté de l’air (impuretés, odeurs) ; température ; humidité ; charges internes fortes (sensible, latente).
En général, le maintien de ces paramètres s’accompagne d’exigences plus ou moins draconiennes sur : • • •
la précision du résultat ; la constance du résultat dans le temps et dans l’espace ou la constance dans la variation du résultat (rampe) ; la qualité du résultat (notion de salle blanche ou de salle propre).
Les domaines d’application sont vastes. Le conditionnement d’air s’applique : • • • • •
à l’industrie de précision (microélectronique, avionique, optique, horlogerie, automobile, peinture, chimie fine...) ; à la biologie (agroalimentaire, pharmacie, cosmétique, biotechnologie, domaine hospitalier...) ; aux laboratoires (recherche, mesure...) ; aux process (séchage, déshumidification de piscine...) ; aux locaux particuliers (téléphonie, ordinateurs...).
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Chapitre 1 : Introduction
1.5. Respect de l’environnement Bien que la climatisation s’avère indispensable, il faut que son utilisation soit avec prudence et rationnelle afin de respecter l’environnement et entre autre l’économie de l’énergie. L’effet de serre est un phénomène naturel nécessaire à la vie, il permet d’avoir un équilibre écologique sur terre. Il est dû à la présence de gaz dits « à effet de serre » dans l’atmosphère (GES), dont leur quantité doit être respectée. Malheureusement, cette quantité augmente de façon énorme suite aux émissions excessives des GES, ce qui accroît l’effet de serre et perturbe très gravement le climat de la planète. La climatisation automobile influe sur l’effet de serre par les émissions en équivalent CO2 causées par deux sources : •
•
La première source est associée aux pertes des fluides frigorigènes. En effet, les installations de climatisation les plus répandues de nos jours utilisent des fréons (HFC) qui contribuent grandement à l’effet de serre sur notre planète (GES). Ces fluides viennent remplacer les (CFC) comme le R12 qui a été interdit depuis 2007 à cause de son potentiel important de destruction de la couche d’ozone (ODP : Le potentiel de déplétion ozonique, de l'anglais Ozone Depletion Potential) en plus de son effet de serre (GWP : potentiel de réchauffement globale, de l’anglais Global Warming Potential). La deuxième est la surconsommation de carburant qu'entraîne la production d’électricité. En effet, pour pouvoir comprimer le réfrigérant, le compresseur du circuit frigorifique tire son énergie du moteur électrique. Pour cette raison il faut que l’utilisation de la climatisation soit avec modération et pour un fort besoin.
Malgré que les fluides frigorigènes utilisés aujourd’hui ne contribuent pas à la destruction de la couche d’ozone, mais ont un impact sur l'effet de serre beaucoup plus important que la masse équivalente de gaz carbonique (CO2) (exemple pour le R134a: GWP = 1300 fois). Les experts admettent que système perd chaque année le tiers du contenu en gaz de la boucle de réfrigération d’où il faut bien maintenir le circuit frigorifique pour ne pas dégager ces gaz dans l’atmosphère ainsi des réglementations et des normes se disposent de plus en plus dans ce contexte. D’autres alternatives sont en cours de développement et en train d’être mis en place qui présentent moins d’effets néfastes sur l’environnement tel que l’utilisation d’autres fréons moins polluants comme le R-1234yf (GWP = 4). Il y a aussi des initiatives qui commencent à apparaitre visant à utiliser le CO2 (GWP = 1) comme frigorigène naturel (R744). Cependant, plusieurs initiatives sérieuses commencent à chercher des solutions de climatisation plus économiques et moins polluantes telles que la relance de la technique de production du froid par absorption utilisant la chaleur dégagée par le moteur du véhicule ou l’énergie solaire surtout avec le départ des véhicules hybrides.
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Chapitre 1 : Introduction En France, depuis le 4 juillet 2009, un décret relatif à la protection de l’environnement et à la réglementation de l’usage des frigorigènes, impose aux professionnels intervenant sur la climatisation d’être agréés. Seuls les ateliers disposant d’une attestation de capacité sont habilités à intervenir sur la climatisation.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2 Généralités sur le traitement de l’air
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2. Généralités sur le traitement de l’air 2.1. Propriétés et grandeurs de l’air humide 2.1.1. Constituants de l’air L’air que nous respirons est un mélange d’air sec, de vapeur d’eau et des polluants : c’est l’air humide pollué. On considère : •
• • • • •
L’air sec : air pur totalement dépourvu d’humidité et sein de tout polluant. Il est composé d’un certain nombre de gaz dont l’azote et l’oxygène occupent la grande partie (78% N2 et 21% O2) et moins de 1 % d'autres gaz comme l’argon et le dioxyde de carbone. L’air humide : c’est un mélange d’air sec et de vapeur d’eau sans aucun polluant. L’humidité de l’air se présente sous forme de vapeur d’eau, de gouttelettes d’eau en suspension dans l’air (brume, brouillard, pluie), de particules de glace (givre ou neige). L’air humide pollué : air humide contenant des polluants. Les polluants sont divers, on gardera essentiellement la poussière, les micro- organismes (virus quelques dixième de micromètre, les bactéries 0.2 à 2 μm, les acariens quelques dizaines de micromètres,..), les allergènes (pollens 20 à 55 μm de diamètre, …), fumées (tabac, …), les odeurs.
• Remarques : Hypothèse simplificatrice pour les calculs en climatisation : • • • • •
On considère que l’humidité est essentiellement constituée par la vapeur d’eau ; L’air sec et la vapeur d’eau se comportent comme des gaz parfaits ; La capacité thermique massique de l’air varie peu dans la plage de température en climatisation (10 30[°C]). On peut prendre Cpair=1000 [J/kgK] Les indices « as », « v », « s » symbolisent respectivement l’air sec, la vapeur d’eau, la saturation ; Les grandeurs seront exprimées dans les unités du système international (SI), sauf indication:
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Grandeur
Unité
Symbole
Pression
Pascal
[Pa]
Température
Kelvin
[°K]
Masse
kilogramme
[kg]
Volume
Mètre cube
[m3]
Tableau 3. Les unités des grandeurs de base dans le système international (SI)
2.1.2. Caractéristiques de l’air humide a. Loi des gaz parfaits Cette loi sert à relier la pression (P), la température (T) et le volume (V) d’un gaz à la quantité de particules (n, le nombre de moles) qu’il contient par l’équation : = Avec
est la constante universelle des gaz parfaits.
= 8 314,32 [ / .
]
L’application de la loi des gaz parfaits à l’air sec et à la vapeur d’eau donne : pour l’air sec : pour la vapeur d’eau :
=
=
(1) (2)
Avec !" 0
est la pression partielle de l. air sec [Pa]
est la pression partielle de la vapeur d′eau [Pa]
45
678 9
0 678
9
9776 :6 . 9;<76= [kg]
9776 :6 9 @9A6B< : . 69B [kg]
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air C45 678 9
C0 678 9
9776
9776
9;<6 :6 . 9;< 76= (28,964 [kg/ kmol])
9;<6 :6 9 @9A6B< : . 69B (18,016 [kg/ kmol])
b. Pression et masse volumique Loi de Dalton : la pression totale d’un mélange de gaz parfaits est égale à la somme des pressions partielles des différents gaz, considérés chacun comme occupant le volume total du mélange à la température considérée. JKJ
=
L
+
N
L’application de la loi de Dalton à un volume V d’air humide supposé un mélange de deux gaz parfaits : l’air sec et la vapeur d’eau à la température T, permet d’écrire :
Avec
JKJ
JKJ
=
J
=
+
(3)
est la pression totale de l. air humide (égale à la pression atmosphérique)
La pression atmosphérique dépende de l’altitude z. La référence de l’altitude est au niveau de la surface de la mer (z=0 [m]). La pression atmosphérique moyenne peut être approchée par la formule suivante en fonction de l'altitude: J
= STSUVW − SV Y + W, V. STZ[ YV (4)
D’après les équations (1) et (2), on peut écrire : =
=
V\],TW
[^S,WS
[
[
]
]
(5) (6)
D’où, on obtient la masse volumique de l’air sec et de la vapeur d’eau : _
=
_ =
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= V\],TW
= [^S,WS
[`a /
[`ab c /
U U
] (7)
] (8)
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
c. La pression de vapeur saturante À une température donnée et constante, si l’on augmente la quantité d’humidité 0 , la pression partielle de vapeur d’eau 0 croît jusqu’à une valeur maximale 5 appelée pression partielle de vapeur saturante. A cette valeur, l’air humide est saturé, c’est-à-dire qu’il est impossible, à cette température, de vaporiser une quantité d’eau supplémentaire. En effet, toute addition d’eau ou de vapeur conduirait à la condensation instantanée de cette vapeur. À la saturation, la masse de la vapeur d’eau présente dans le volume d’air V est alors maximale : d
d = [^S,WS
[`ab c ]
(9)
La pression de saturation " dépend de la température. On peut retrouver cette relation dans des tableaux, des abaques ou des logiciels. On peut aussi calculer la pression de saturation en fonction de la température à l’aide des équations empiriques. CADIERGUES a proposé la relation empirique suivante pour des températures T positives en [°C]: 5
= 10
e
f.ghi j nN,opooq hklmj
[ 9]
A B<
> 0°t
(10)
d. La courbe de saturation La courbe de saturation permet de partager le plan (T,Ps) en deux domaines bien distincts : •
•
Un domaine en dessous de la courbe de saturation, dans le quel la pression de vapeur est inférieur à la pression de vapeur saturante 0 < 5 à une température donnée. Dans ce cas, l’air peut encore absorber de l’eau sous forme de vapeur. C’est le domaine de la vapeur d’eau non saturante. Le traitement de l’air en climatisation s’effectue dans ce domaine. Un domaine au-dessous de la courbe de saturation, dans le quel la pression partielle de vapeur est constante 0 = 5 à une température donnée. C’est le domaine de la vapeur d’eau sursaturée. Dans ce cas, l’air ne peut plus absorber de l’eau sous forme de vapeur. Dans ce domaine, on se trouve en présence d’eau liquide pour des températures positives : c’est la zone de brouillard. quand les températures sont négatives l’eau se trouve en état solide : c’est la zone de brouillard givrant ou neige.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Ps [Pa] Courbe de saturation Brouillard givrant ou neige
Brouillard
Air humide T [°C]
0°
Figure 2. Courbe de saturation de l’air humide dans le plan (Ps,T)
e. L’humidité absolue : C’est la quantité d’eau contenu dans l’air sous forme de vapeur, d’eau ou de glace par rapport à la masse de l’air sec. L’humidité absolue est une humidité spécifique à une unité de masse d’air sec exprimée en [kgeau/kgair sec] < = vw = v
xy
v455z {| }~v•{•€é v455z {| 4••5z‚
[ ƒz4~ / ƒ45 ] (11)
En remplaçant les valeurs de < = 0,622
„xy
< = 0,622
„x…† Z„w
„w
0
et
45
à partir des équations (7) et (8), on obtient :
(12)
A partir de l’équation (3), on peut exprimer < sous la forme suivante : „w
(13)
À la saturation, l’humidité absolue de l’air saturé s’écrit : Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air <5 = 0,622
„‡
„x…† Z„‡
(14)
Remarque : On remarque que la masse d’humidité contenue dans l’air humide a été rapporté à la masse d’air sec plutôt qu’à la masse d’air humide. Ceci est recommandé pour bien caractériser l’air au cours de son traitement et pour faciliter les calculs. En effet, au cours des évolutions de l’air humide, la masse de l’air sec reste constante alors que la quantité d’humidité peu varier.
f. L’humidité relative :
L’humidité relative ou le degré hygrométrique ˆ est le rapport entre la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air 0 et la pression de saturation " de cette vapeur d’eau à la température Τ : ˆ=
„w (‰)
„‡ (‰)
(15)
Si l’on exprime en pourcentage, on doit écrire : ˆ = 100 „w(‰) [%] „ (‰)
(16)
‡
En remplaçant les pressions à partir des équations (8) et (9), on peut exprimer l’humidité relative par un rapport de masse de vapeur d’eau : ˆ=
vw (‰)
vw‡ (‰)
(17)
Remarque : L’humidité relative est comprise entre 0 et 100% : • • •
• •
Si (ˆ = 0%) , alors l’air est absolument sec ( 0 = 0). Si (ˆ = 100%) , alors l’air est saturé ( 0 = 0" ). L’humidité relative est un indicateur sur la position de la pression partielle de vapeur par rapport à la saturation pour une température donnée. En effet, plus le degré d’humidité est élevé, plus la pression partielle de vapeur est proche de la pression de saturation à la même température. L’humidité absolue peut être exprimée en fonction de l’humidité relative par : < = 0,622
‹„y
„x…† Z‹„y
(18)
g. La masse volumique et le volume massique de l’air humide : La masse volumique de l’air humide est la masse du mélange d’air sec et de l’humidité par unité de volume d’air humide : Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air • Or Œ=
€“€
=
Œ=
vxy
4€v
•
=
+
vw
45
•
+
= Œ45 + Œ0 = 0
− (1,32 10Z’ )
„x…†
Npo,Ž• ‰
„xy
Npo,Ž• ‰
+
[ ƒ/
„w
•‘L,•L ‰
’
]
(19)
, d’où [ ƒ/
„w ‰
’
]
(20)
Remarque : Cette relation montre que, plus l’air est humide (équivalent 0 est élevée), plus la masse volumique diminue. Ainsi l’air humide à une masse volumique plus faible que celle de l’air sec à la même température et la même pression atmosphérique. Le volume massique est l’inverse de la masse volumique, ainsi v=”
[
L
’
/ ƒ] (21)
h. Le volume spécifique Le volume spécifique est le volume d’air humide qui contient l’unité de masse d’air sec, v. = – = ˜ •
[
L
—‡
—‡
’
/ ƒ45 ]
(22)
D’après les équations (3) et (6), on peut exprimer le volume spécifique sous la forme : v. =
L
˜—‡
=
Npo,Ž• ‰ „xy
=
[
Npo,Ž• ‰
„x…† Z„w
’
/ ƒ45 ]
D’après l’équation (13), on peut écrire : v . = 462 „
‰
x…†
(0,622 + <)
[
’
0
/ ƒ45 ]
=
(23) • „w
Ž,‘NN n •
d’où : (24)
Remarque : encore cette relation est exprimée par rapport à une unité de masse d’air sec, ce qui permettra de retrouver facilement le débit volumique d’air traité ™0 en fonction du débit massique d’air sec ™vxy comme suit : ™0 = v . . ™vxy
(25)
i. L’enthalpie spécifique L’enthalpie de l’air humide est la somme des enthalpies de l’air sec et de la vapeur d’eau qu’elle contient, š = š45 + š0 [ ] Ayadi.walid@gmail.com
(26) Page 23 / 82
Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air Soit un air humide contenant des masses L’enthalpie totale de d’air humide est : š=
45 ℎ45
+
0 ℎ0
45 (ℎ45
=
!"
+ <ℎ0 )
d’air sec et
0
d’humidité à la température T,
(27)
Par convention, l'enthalpie de l'air sec à 0[°C] égale à zéro (de l'air à - 5°C peut donc avoir une enthalpie négative). Donc ℎ0 représente l’enthalpie de 1kg de vapeur d’eau à la température 0 [°C], évaporée à 0 [°C] et surchauffée jusqu’à la température T, on aura donc : ℎ!" = C•xžŸ = 1,000
ℎ0 = (
0
[
+ t•w ) = 2490 + 1,96
]
[
]
Avec : 86 Aé<98B<6 7è=ℎ6 :6 . 9;< ℎB ;:6 6 [°t]
C•xžŸ : t9A9=;8é =9 <;£;™B6 :6 ’9;< 76= (1 [ / ƒ45 ])
t•w : =9A9=;8é =9 <;£;™B6 :6 9 @9A6B< :’69B (1,96 [ / ƒz4~ ) 0:
=ℎ9 6B< 986 86 :6 @9A <;798;
:6 ’69B (2490 [ / ƒz4~ ])
En reportant l’enthalpie à une unité de masse d’air sec, on obtient l’humidité spécifique : ℎ. = 1,000
+ <(2490 + 1,96 ) [ / ƒ45 ]
(28)
j. La température sèche T[°C] : C’est la température indiquée par un thermomètre ordinaire à l’abri du rayonnement solaire C’est la température ambiante, elle est mesurée par un thermomètre à bulbe sèche agité dans l’air;
k. La température humide Th[°C] : C’est la température indiquée par un thermomètre à bulbe humide (entouré par un coton mouillé) placé dans un courant d’air. Le passage d’air non saturé sur le coton mouillé du thermomètre provoque une évaporation partielle de l’eau et, par conséquent, un refroidissement du bulbe du thermomètre humide.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air Plus l’air est sec, plus l’évaporation est importante et plus l’écart entre la température sèche et la température humide est grande. Ceci permet de déduire le degré d’hygrométrie de l’air humide. Il est remarquable que la température humide soit inférieure ou égale à la température sèche. Un appareil appelé « psychromètre » permet de mesurer la température sèche et la température humide grâce à deux thermomètres à bulbe sec et à bulbe humide. Le Docteur Willis CARRIER a proposé en 1911 une formule permettant de calculer la température humide. Malheureusement cette relation est implicite et ne peut se calculer que par itération. 0( } )
=
"( })
− ¥¦
4€v
−
‰Z‰¨ " ( } )§ L•’N,•ZL,’ ‰
¨
© (29)
l. La température de rosée TR[°C] : C’est la température à partir de la quelle la vapeur d’eau dans l’air commence à se condenser. Quand on fait diminuer la température de l’air humide, pour une humidité absolue restant constante, on arrive sur la courbe de saturation (ˆ = 100%) au point de rosée où la température est de rosée. Si la température est réduite au-dessous du point de rosée, l’évolution de l’air humide saturé suit alors la courbe de saturation : la valeur de r diminue, il y a par conséquent condensation de vapeur d’eau. La connaissance de la température de rosée est très importante, car elle permet de prévoir les risques de condensation au cours de l’évolution de l’air humide. La température de rosée dépend de la pression partielle de vapeur d’eau, elle peut être exprimée à l’aide de l’expression suivante : ª
=
N’o,•p«(¬-(‹.„y )Z‘,•L«) N’,‘®Z¬-(‹.„y )
[°t]
(30)
Remarques : Pour un air non saturé : TR < Th < T Pour un air saturé : T=Th=TR
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2.1.3. Diagramme de l’air humide Pour retrouver facilement les différentes caractéristiques de l’air humide, on peut utiliser un diagramme appelé diagramme de l’air humide ou diagramme psychrométrique. C’est un outil indispensable pour le climaticien. Ce diagramme permet de représenter graphiquement les différentes évolutions de l’air et de faire des bilans d’enthalpie et d’humidité, sans faire recours aux équations et aux calculs complexes. Sur chaque point on peut déterminer rapidement les différentes grandeurs caractéristiques de l’air humide en connaissant au moins deux d'entre elles. Le diagramme psychrométrique est tracé sur la base de la pression atmosphérique. Or la pression atmosphérique varie en fonction de l’altitude. Pour cela il faut bien choisir le diagramme convenable en fonction de l’altitude. Toute les valeurs sur le diagramme sont reportées à un kilogramme d’air sec ce qui simplifiera les calculs en multipliant par le débit massique de l’air sec [kgair sec/s] qui reste invariant au cours d’un traitement, c’est plutôt la masse d’humidité qui change.
a. Principaux diagramme de l’air humide On trouve plusieurs variantes de diagrammes de l’air humide, qui diffèrent au niveau du calcul de l’enthalpie spécifique et par l’angle α entre les axes de coordonnées, les principales représentations sont : • • • • • • • • • •
MOLLIER : coordonnées non rectangulaires (α =135°) ℎ′ = 1,0060 + <(2500 + 1,86 ) C.O.S.T.I.C, A.I.C.V.F : coordonnées non rectangulaires (α =92°) ℎ′ = 1,0060 + <(2501 + 1,83 ) PORCHER : coordonnées non rectangulaires (α =92,5°) ℎ′ = 1,0000 + <(2490 + 1,96 ) CARRIER : coordonnées rectangulaires (α =90°) ℎ′ = 1,0045 + <(2498 + 1,88 ) ASHRAE : coordonnées non rectangulaires (α =88°) ℎ′ = 1,0060 + <(2501 + 1,805 )
Remarque : les diagrammes psychrométriques peuvent être sur support papier ou sur un document numérique. On trouve aussi des logiciels qui offrent une calculette psychrométrique et un diagramme totalement paramétrable et interactif. Ces logiciels
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air offrent la possibilité de faire des simulations psychrométriques et permettent de réaliser des évolutions composées sur l'air humide. Ci-dessous une liste non exhaustive de quelques logiciels de psychrométrie : Nomination
Auteur /Editeur
Clima-Win AIR HUMIDE
BBS
U40Win - Diagramme de l’air humide
Logiciels Perrenoud
Didaclim
DIMCLIM
Psychrodream
Van Eekhout Francis (vef@ais.gp)
PsychroGen
Airquest
CYTSoft diagramme psychrométrique
CYTSoft
Psychrométrie 5,7
Orcun
Psychrometric Chart + Duct Calculator 4.3
Yaode Yang
Tableau 4. Liste non exshaustive de logiciels de psychrométrie
b. Lecture du diagramme psychrométrique Soit un point d’air (A) sur le diagramme de l’air humide de la Figure 3 : • •
La température sèche : la projection du point A sur l’axe des températures selon les isothermes (25[°C]). L’humidité absolue et la température de rosée : la ligne horizontale passant par le point A, donne l’humidité absolue sur l’axe des humidités absolues (10 [g/kgas]). L’intersection de cette ligne horizontale avec la courbe de saturation donne le point de rosée correspondant au point A. La température de rosée est obtenue par la projection du point de rosée sur l’axe des températures selon les isothermes (14[°C]).
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air •
• •
L’enthalpie spécifique et la température humide : l’enthalpie spécifique correspondant au point d’air A est directement lisible à partir de la ligne des isoenthalpies passant par le point A (50,3[kJ/kgas]) ou (12[kcal/kgas])). Cette ligne d’enthalpie coupe la courbe de saturation au point humide Ah relatif au point d’air A. La projection du point humide sur l’axe des températures donne la température humide du point A (17,7[°C]). L’humidité relative : la courbe d’égale humidité relative passant par le point A donne (50[%]). Le volume spécifique : la ligne d’égal volume spécifique passant par le point A, donne (0,859[m3/kgas]).
Remarque : l’humidité absolue sur le diagramme de l’air humide représente la pression partielle de la vapeur d’eau selon la relation (13) où on peut écrire : 0
=
•„x…†
Ž,‘NNn•
(31)
Ainsi l’humidité absolue à la saturation donne la pression de la vapeur saturante : "
=
•y „x…†
Ž,‘NNn•y
(32)
La pression partielle de la vapeur d’eau et la pression de saturation du point A seront : 0
"
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=
=
0,010 × 101325 = 1603 [ 9] 0,622 + 0,010
0,020 × 101325 = 3156 [ 9] 0,622 + 0,020
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Figure 3. Diagramme de l'air humide (source : Traitement de l’air et climatisation, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique)
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2.1.4. Exercices d’application Exercice 1 : On va essayer de retrouver les caractéristiques du point d’air (A) par différent moyens : calcul par les équations, à l’aide d’un diagramme et à laide d’un logiciel. On donne deux caractéristiques du point (A) dans une altitude de 0 [m]: • • •
La température sèche T(A)=25[°C] L’humidité relative ˆ(±) = 50[%] Altitude : 0 [m] (la pression atmosphérique =101325,00 [Pa])
Réponse : Calcul par les équations : Connaissant la température sèche, on peut calculer la pression de saturation à l’aide de l’équation (10) 5
o.‘N• ‰
= 10e N•Ln‰ nN,opooq = 3194,00 [ 9]
Remarque : il existe une formule valable dans le domaine de climatisation plus précise, 5 5
=6
=6
(‘,•L•‘n
(‘,•L•‘n
Lo,No® × ‰ ) N’o,•o‘•n‰
Lo,No® × N• ) N’o,•o‘•nN•
[ 9]
= 3166,45 [ 9]
Connaissant l’humidité relative, on peut calculer la pression partielle de la vapeur d’eau d’après l’équation (16) : 0(
)=
ˆ "( ) 3166,45 = 50 × = 1583,23 [ 9] 100 100
Connaissant la pression partielle de la vapeur, on peut calculer l’humidité absolue d’après l’équation (13) < = 0,622
4€v
0
−
0
= 0,622
1583,23 = 0,009873 [ ƒz4~ / ƒ45 ] 101325 − 1583,23
On a " = 1583,23 [ 9], d’où l’humidité absolue à la saturation à 25[°C], d’après l’équation (13) est :
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air <5 = 0,622
4€v
"
−
"
= 0,622
3166,45 = 0,0200 [ ƒz4~ / ƒ45 ] 101325 − 3166,45
D’après l’équation (28), l’enthalpie spécifique est : ℎ. = 1,000
= 25 + 0.009873 × (2490 + 1,96 × 25)
+ <(2490 + 1,96 )
= 50,067547 [ / ƒ45 ]
D’après l’équation (24), le volume spécifique est :
= 462 ×
= 0,858 [
v . = 462
298 × (0.622 + 0.009873) 101325 ’
4€v
(0,622 + <)
/ ƒ45 ]
D’après l’équation (30), la température de rosée est : ª
=
237,48 × [ln(1583,23) − 6,41] = 13,9266 [23,69 − ln(1583,23)]
[°t]
On va essayer de vérifier l’égalité de l’équation (29) pour plusieurs valeurs de températures. La valeur de la température qui vérifie cette égalité correspond à la température humide. On va choisir une plage de cinq intervalles sachant que } < . 1ère itération
Th Pv(25°C)
Ps(Th)
"( } )
− } − ³¦ 4€v − " ( } )§ 1532,4 − 1,3
}
´
Erreur= Pv(25°C)- Ps(Th)
25 1583,23
3166,45
3166,45
-1583,2
20 1583,23
2337,37
2008,81
-425,6
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
15 1583,23
1704,74
1046,27
537,0
10 1583,23
1227,59
239,40
1343,8
14 1583,23
1598,06
873,58
709,6
15 1583,23
1704,74
1046,27
537,0
La température humide est comprise entre 20 et 15 2ème itération
Th Pv(25°C)
Ps(Th)
"( } )
− } − ³¦ 4€v − " ( } )§ 1532,4 − 1,3
}
´
Erreur= Pv(25°C)- Ps(Th)
20 1583,23
2337,37
2008,81
-425,6
19 1583,23
2196,55
1802,06
-218,8
18 1583,23
2063,21
1602,75
-19,5
17 1583,23
1937,01
1410,56
172,7
16 1583,23
1817,63
1225,17
358,1
15 1583,23
1704,74
1046,27
537,0
La température humide est comprise entre 18 et 17
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air 3ème itération
Th
Pv(25°C)
"( })
− ³¦
Ps(Th)
4€v
−
" ( } )§
− } 1532,4 − 1,3
}
´
Erreur
18,0 1583,23
2063,21
1602,75
-19,5
17,8 1583,23
2037,41
1563,76
19,5
17,6 1583,23
2011,89
1525,04
58,2
17,4 1583,23
1986,66
1486,60
96,6
17,2 1583,23
1961,70
1448,44
134,8
17,0 1583,23
1937,01
1410,56
172,7
La température est comprise entre 18 et 17,8. On va s’arrêter ici et on va prendre la moyenne. Ainsi }
= 17,90 [°t]
Remarque : il existe des expressions qui permettent de calculer directement la température humide. L’expression ci-dessous donne une approximation de la température humide en fonction de la température sèche et l’humidité relative, dans la plage de température de 15 à 35 [°C] et d’humidité relative de 20 à 90 [%] : }
= 0,2831ˆ Ž,No’•
+ 0,0003018 ˆ N + 0.01289ˆ − 4,0962
[°t]
Avec : 86 Aé<98B<6 7è=ℎ6 6 [°t]
ˆ: ℎB ;:;8é <6 98;@6 6 [%]
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air Utilisation d’un diagramme d’air humide : Puisqu’on connait deux caractéristiques de l’air humide : la température sèche et l’humidité relative, on peut identifier le point A sur le diagramme. Le point A fait l’intersection entre la ligne de la température 25[°C] et la courbe d’égale humidité relative 50[%]. Les autres caractéristiques seront déduites comme détaillé dans le paragraphe précédent. Utilisation d’un logiciel : Voici un exemple de calcule effectué à l’aide d’une calculatrice psychrométrique du logiciel « DimClim ». Dans un premier temps, Il faut choisir la référence des coefficients de l'enthalpie spécifique, puis renseigner l’altitude et deux paramètres de l'air humide. L'appui sur le bouton calculer permet de calculer les autres caractéristiques inconnues.
Figure 4. Imprime écran de la calculatrice psychrométrique du logiciel « DimClim »
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Caractéristiques
Symbole Unité
Calcul
Diagramme
Logiciel
Température sèche
T
[°C]
25
25
25
Température de rosée
TR
[°C]
13,9266
14
13,856
Température humide
Th
[°C]
17,7
17,91
ˆ
Humidité relative
[%]
50
50
50
r
[geau/kgas]
9,87
10
9,873
Humidité absolue à la rs saturation
[geau/kgas]
20
20
Enthalpie spécifique
h'
[kJ/kgas]
50,067
50,3
50,067
Volume spécifique
v'
[m3/kgas]
0,858
0,859
0,8581
1583,23
A calculer
1583,22
3166,45
A calculer
3166,45
Humidité absolue
Pression partielle de la Pv vapeur d’eau
[Pa]
Pression de saturation
[Pa]
Ps
Tableau 5. Tableau comparatif des caractéristiques d’un point d'air humide obtenues par trois méthodes
Exercice 2 : Retrouver les caractéristiques des différents points d’air du tableau ci-dessous (indiquer l’unité et le symbole pour chaque valeur):
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Point d’air
Symbole Unité
Température sèche
A
B
30
26
C
Température de rosée
E
2,4
Température humide Humidité relative
D
23 60
Humidité absolue
3,77
7,26
Humidité absolue à la saturation
14,7
Enthalpie spécifique
9,44
Volume spécifique
0,825
Pression partielle de la vapeur d’eau Pression de saturation Pression atmosphérique
101325
Exercice 3 : On considère un débit volumique d’air humide de 1000 m3/h à la température 16[°C] et un degré d’hygrométrie 70 [%] à la pression atmosphérique 1,01325 [bar] a) On demande de calculer ce débit pour différent états psychrométriques suivants : A0 (10[°C]/70[%]), A1 (20[°C]/50[%]), Ayadi.walid@gmail.com
A2 (30[°C]/60[%]) Page 36 / 82
Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air b) Comparer la densité de l’air dans chaque état. Conclure. Réponse : a)D’après un diagramme ou une calculette psychrométrique, on peut déterminer rapidement le volume spécifique pour chaque point d’air, sinon on le calcul à l’aide de l’équation (24) qui nécessite elle-même plusieurs calculs préalables : v . = 462
4€v
(0,622 + <)
[
’
/ ƒ45 ]
D’après le point d’air connu, on déduit le débit massique d’air sec en utilisant l’équation (33): ™0 = v . . ™vxy ⇔ ™vxy = 0| ™0 L
™vxy = Ž,pŽ® 1000 [ vxy ¸ ][ L
¶·
v¸ }
]
™vxy = 1236 [ ƒ45 /ℎ]
Maintenant on connaissant le débit massique de l’air sec, qui soit constant quelques soient les changements appliqués sur l’air, on peut retrouver le débit volumique correspondant en fonction du volume massique toujours par l’équation (34). b) La densité de l’air humide est la somme de la densité de l’air sec et la densité de la vapeur d’eau, elle peut être calculée par l’équation (35) si on a la pression partielle de la vapeur d’eau Pv : Œ=
4€v
287,05
− (1,32 10Z’ )
0
[ ƒ/
’
]
On va calculer Pv en lisant l’humidité absolue depuis le diagramme psychrométrique à l’aide de l’équation (36) : 0
=
•„x…†
Ž,‘NNn•
[ 9]
Conclusions : Le débit volumique d’un air humide peut changer suite à une transformation de l’air, mais son débit massique de l’air sec reste constant.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air La densité de l’air humide diminue avec l’augmentation de sa température, ce qui explique le déplacement naturel de l’air chaud vers le haut et l’air froid vers le bas. En considérant une plage de température entre 10[°C] et 30 [°C] en climatisation, on peut supposer que la densité de l’air humide est de 1,2 [kg/m3] pour un calcul rapide. Il est remarquable aussi, dans cette plage de température et d’humidité relative, que la densité de l’air sec est très proche de celle de l’air humide. Ceci est expliqué par la faible masse de la vapeur d’eau (0,005 à 0,016) devant 1kg air sec. Point d’air
Symbole
Unité
A0
A1
A2
Température sèche
T
[°C]
10
20
30
[%]
70
50
60
0,809
0,840
0,881
ˆ
Hygrométrie Volume spécifique
v'
[m3/kgas]
Débit massique d’air sec
Qmas
[Kgas/h]
Débit volumique
Qv
[m3/h]
1000
1038
1089
[kgas/m3]
1,236
1,19
1,135
[kg/m3]
1,24
1,19
1,16
Densité d’air sec Densité
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Œ45 Œ
1236,09
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2.2. Les évolutions élémentaires de l’air 2.2.1. Chauffage Le chauffage se fait par passage de l’air à travers une batterie chaude qui peut être : • • • •
¿ ½
Un échangeur alimenté par de l’eau chaude, Une résistance électrique, Un condenseur d’une pompe à chaleur, Un capteur solaire.
º z [ ƒ45 ⁄7]
z
[°t]
¾ <z [ ƒz4~ ⁄ ƒ45 ] ½ ¼ ℎz [ ⁄ ƒ45 ]
‚[
»] ¿ ½
«
º 5 [ ƒ45 ⁄7] [°t]
« ¾ <5 [ ƒz4~ ⁄ ƒ45 ] ½ ¼ ℎ5 [ ⁄ ƒ45 ] 5
Figure 5. Opération de chauffage de l'air La Figure 5 représente schématiquement le système qui permet l’échauffement de l’air. L’apport de la chaleur ‚ à l’air humide d’entrée se traduit par une augmentation de température sans variation d’humidité (∆< = 0) à la sortie. Dans ce cas l’énergie échangée est purement sensible avec : ‚
5=
• • •
Bilan massique de l’air sec : « º5 = ºz = º« Bilan massique de l’eau :
•
Bilan enthalpique :
=
º t• ∆
«<5 = <z = =
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«
‚
5
= º (ℎ5 − ℎz ) =
789 86 « º t• (
5
−
z)
« Page 39 / 82
Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
Courbe de saturation ℎ5
ℎz
Ãℎ > 0
Ã< = 0 z
à >0
5
Figure 6. Représentation d’un échauffement à pression constante sur le diagramme de l’air humide
2.2.2. Refroidissement Le refroidissement se fait par passage de l’air à travers une batterie froide qui peut être : • •
Un échangeur alimenté par de l’eau froide (batterie froide à eau glacée), Un échangeur alimenté par un fluide frigorigène en état d’évaporation (batterie froide à détente directe). Il s’agit de l’évaporateur du circuit frigorifique. Á[
»] º 5 [ ƒ45 /7] « Â 5 [°t] <5 [ ƒz4~ / ƒ45 ]
º z [ ƒ45 /7] «  z [°t] <e [ ƒz4~ / ƒ45 ] Cº‚ [ ƒz4~ /7]
Figure 7. Opération de refroidissement avec déshumidification de l’air Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air La Figure 7 représente schématiquement le système qui permet l’échauffement de l’air. Quand la température de surface de la batterie est inférieure à la température de rosée il se produit une condensation de la vapeur d'eau. C’est un refroidissement avec déshumidification. La transformation de refroidissement s’effectue généralement avec déshumidification et systématiquement avec une diminution de température. Dans ce cas l’énergie échangée Á est composée d’une partie sensible 5 qui a servi à l’abaissement de la température et une partie latente Ä qui a servi à la condensation d’eau (Cº‚ ) avec : 5=
º t• ∆
«
Á
=
5
68
+
Ä
«
Ä
Bilan massique de l’air sec : « º 5 = º z = º «
•
º
=
Å C‚
Bilan massique de l’eau : º «<5 = º <z − Cº‚ «
• •
= −« º (ℎ7 − ℎ6 )« 7 = º (ℎ7 − ℎÆ ) = − º tA (
Bilan enthalpique :
£
= º (ℎÆ − ℎ6 )=
ℎz
ℎÇ ℎ5
º
7
Å C‚
−
6)
Courbe de saturation Ä
Á 5
5
Ã< < 0 Ã <0
<z <5
z
Figure 8. Représentation d’un refroidissement avec déshumidification à pression constante sur le diagramme de l’air humide Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2.2.3. Humidification L’humidification se fait par injection d’eau ou de vapeur dans l’air en circulation au moyen d’un humidificateur. On distingue: • •
Humidification par injection de vapeur d’eau : peut être réalisé par un générateur de vapeur Humidification par pulvérisation d’eau ou adiabatique : peut être réalisé par les laveurs à recirculation d’eau
a. Humidification par injection de vapeur d’eau Å[
»] º 5 [ ƒ45 /7] « Â 5 [°t] <5 [ ƒz4~ / ƒ45 ]
º z [ ƒ45 /7] « Â z [°t] <z [ ƒz4~ / ƒ45 ] V
CºÅ [ ƒz4~ /7]
Figure 9. Opération d'humidification par injection de vapeur d'eau La Figure 9 représente schématiquement le dispositif d’humidification par injection de vapeur. 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, on peut considérer que l’évolution de l’air se fait à température constante (la chaleur sensible apportée est largement négligeable devant la chaleur latente) ; on a : = Cº @
• • •
@
et
@
=
7
+
7
= º tA ((
6
+ δT) −
Bilan massique de l’air sec : « º 5 = º z = º « Bilan massique de l’eau : º «<5 = º <z + CºÅ « « « Bilan enthalpique : @ = º (ℎ7 − ℎ6 )
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= º (ℎ7 − ℎ6 ) = Cº @
6)
≈0
@
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
ℎz
ℎ5
Courbe de saturation Å
Ã< > 0
<5
à =0
<z
Figure 10. Représentation d’une humidification par injection de vapeur d’eau sur le diagramme de l’air humide
b. Humidification adiabatique Å[
»] º 5 [ ƒ45 /7] « Â 5 [°t] <5 [ ƒz4~ / ƒ45 ]
º z [ ƒ45 /7] « Â z [°t] <z [ ƒz4~ / ƒ45 ] E
Cºz4~ [ ƒz4~ /7] Figure 11. Opération d'humidification par pulvérisation d'eau Elle se fait au moyen d’un laveur d’air à recirculation d’eau, celle-ci n’étant ni chauffée ni refroidie (Figure 11). 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, ainsi l'air va se
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air 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. Dans ce cas, on peut considérer que l’humidification s’effectue à enthalpie spécifique constante et que la température de l’eau pulvérisée est sensiblement égale à la température de bulbe humide de l’air traité; on a : ℎ5 = ℎz
<7 > <6 7
<
= Cº @
• • •
(L′air s ′est bien humidifié) 6
@
@
(L′air s ′est refroidi) =
et
+
7
7
=0
= º tA (
7
−
Bilan massique de l’air sec : « º 5 = º z = º « Bilan massique de l’eau : º «<5 = º <z + CºÅ « Bilan enthalpique : @ = « º (ℎ7 − ℎ6 )« = + 7 = 0 7
Ãℎ = 0
ℎÇ
= º (ℎÆ − ℎ6 ) = Cº @
= º (ℎ7 − ℎÆ ) = º tA (
7
@
−
6)
Æ)
Courbe de saturation Ä
P" Ã< > 0 5
à <0
<5
<z
z
Figure 12. Représentation d’une humidification adiabatique sur le diagramme de l’air humide Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
2.2.4. Mélange de deux airs On effectue ces mélanges au moyen de boîtes de mélange qui amènent plusieurs flux d’air vers une seule chambre où se fait le mélange. Chaque voie d’entrée est équipées de registres de réglage de débit. Â
º L [ ƒ45 /7] « L [°t] <L [ ƒz4~ / ƒ45 ]
º [ ƒ45 /7] « Â v [°t] <v [ ƒz4~ / ƒ45 ]
º N [ ƒ45 /7] « Â N [°t] <N [ ƒz4~ / ƒ45 ] Figure 13. Opération de mélange de deux airs
Le mélange de deux airs de caractéristiques différentes donne un état intermédiaire en température et en humidité : c’est une moyenne pondérée en fonction de la masse de chaque partie. • • •
Bilan massique : « º = º L + º N « «<v = ( º L <L + º N <N )/ º « Bilan de l’eau : Bilan enthalpique : «ℎv = ( º L ℎL + º N ℎN )/ º «
On peut retrouver le point de mélange graphiquement en utilisant l’équation algébrique suivante qui donne la distance du point de mélange par rapport aux points 1 ou 2 en ÌÌÌÌÌÌÌ fonction de la distance du segment ± L ±N .
Noter bien que le point de mélange se situe à l’intérieur du segment de droite [±L ±N ] et proche du point d’air qui possède la plus grande masse d’air. ÌÌÌÌÌÌÌ ± L ±v =
ºN ÌÌÌÌÌÌÌ ± ± ºL+ ºN L N
ÌÌÌÌÌÌÌÌ ± N ±v =
ºL ÌÌÌÌÌÌÌ ± ± ºL+ ºN L N
Ou
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air
ℎv
ℎL
ℎN
Courbe de saturation
A1
<L
<v
Am
<N
A2
N
v
L
Figure 14. Représentation d’un mélange de deux airs à pression constante sur le diagramme de l’air humide
2.2.5. Exercices d’application Exercice 1 : chauffage a) Déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l’air humide de 10 [°C]. b) Déduire la puissance de la batterie chaude pour un débit massique d’air sec 1[kgas/s]. Exercice 2 : refroidissement Soit un air humide passant à travers une batterie froide dont ses caractéristiques d’entrée et de sortie sont données dans la figure ci-après : º z = 0,5[ ƒ45 /7] « Â z = 26[°t] ˆz = 50[%]
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Á[
»]
Í
= 16[°t] « },5 = 10[°t] 5
Cº‚ [ ƒz4~ /7] Page 46 / 82
Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air On demande de : a) b) c) d) e)
Tracer l’évolution de l’air sur un diagramme d’air humide Calculer la puissance de refroidissement ( Á ) Calculer la puissance sensible et la puissance latente ( 5 ), ( Ä ) Calculer le débit des condensats (Cº‚ ) La droite représentant cette évolution est caractérisée par la pente ou encore le facteur de chaleur sensible Î = graphiquement.
∆} ∆•
. Retrouver cette caractéristique par calcul et
Exercice 3 : humidification par injection de vapeur Le schéma ci-dessous représente une opération d’humidification par injection de vapeur d’eau dont les caractéristiques d’air à l’entrée sont données. On souhaite déterminer le º Å ) nécessaire pour ramener l’air à un degré d’hygrométrie de 50[%]. débit de vapeur (C Å[
»]
º z = 1[ ƒ45 /7] « Â z = 22[°t] <z = 8[ƒz4~ / ƒ45 ]
φ = 50[%]
V
CºÅ [ ƒz4~ /7]
Exercice 4 : mélange Soient 2 airs humides ayant les caractéristiques suivantes: • •
A (26[°C], 50[%]), avec un débit volumique qv(A)=9000 [m3/h] B (32[°C], 60[%]), avec un débit volumique qv(B)=1000 [m3/h]
Déterminer les caractéristiques du mélange par le calcul et par la méthode graphique.
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Chapitre 2 : Généralités sur le traitement de l’air Exercice 5 : évolution composée Déterminer les caractéristiques de l’air (S) à la sortie de cette installation. Á
A C
‚
D
S
B Cº‚ Données : A (32[°C] ,60[%]), QA=100 [m3/h] B (26[°C] ,50[%]), QB=1000 [m3/h] Á =30
[kW]
‚ =10
[kW]
Cº‚ =60 [litre/h]
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques
3 Les charges thermo-hydriques
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques thermo
3. Les charges thermo-hydriques hydriques On appelle "charges" les facteurs physiques intérieurs et extérieurs qui perturbent la température et l’hygrométrie de l’habitacle. Les charges qui font varier la température sont appelées charges thermiques ou sensibles et celles qui font varier l’hygrométrie sont appelées charges hydriques ou latentes. La charge thermique peut être transmise par rayonnement (ensoleillement à travers les vitres), par conduction (à travers les parois) et par convection (flux de l’air extérieur).
3.1.1. Les charges estivales : En été, les charges thermiques sont positives, elles augmentent la température de l’habitacle. Il s’agit d’un apport de chaleur sensible qui provient en une grande partie de l’extérieur par ensoleillement et de l’intérieur par les occupants occupants (métabolisme), les équipements, l’éclairage, … Les charges hydriques sont généralement positives, elles augmentent l’humidité dans l’habitacle. Il s’agit d’un apport de chaleur latente qui provient de l’extérieur (air neuf) par le renouvellement ett les infiltrations d’air neuf, et de l’intérieur par les occupants (respiration, sudation) ou équipements dégageant de l’humidité.
Les parois Les vitres
Eclairage
Equipements
Renouvellement d’air
Occupants
+ Sol
Figure 15.. Les apports des charges estivales dans l'habitacle
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques thermo
3.1.2. Les charges hivernales : En hiver, les charges thermiques sont négatives, elles diminuent la température de l’habitacle. Il s’agit d’une déperdition de chaleur sensible par transmission à travers les parois ou par le renouvellement et l’infiltration d’air extérieur; les apports thermiques internes provenant des occupants, occupants, les équipements, l’éclairage, etc sont ignorés puisqu’ils forment un apport de chaleur gratuit. Les charges hydriques restent toujours positives de sources extérieures et intérieures.
Les parois
Occupants Les vitres Equipements
Renouvellement d’air
Sol
Figure 16. Les déperditions des charges hivernales dans l'habitacle
3.2. Bilan thermo-hydrique hydrique L’air soufflé (AS) dans le local est le vecteur utilisé pour maintenir l’équilibre thermothermo hydrique de l’ambiance mbiance intérieure. intérieure. Le bilan enthalpique sera la somme de la puissance sensible (thermique) et la puissance latente (hydrique) : Љ = Ð5 + ÐÄ En été, le local est soumis à une augmentation de température et une augmentation d’humidité (provenant essentiellement des occupants), dans ce cas, l’air soufflé doit avoir une enthalpie et une humidité absolue inférieure à celles dans le local.. Le point de soufflage (As) est situé à droite, plus bas que celui du local (Ai) (Figure 17). Ð5 > 0 Dà r 0H 68 ÐÄ r 0 DÃ< r 0H Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques En hiver, l’air soufflé doit avoir une enthalpie supérieure à celle dans l’habitacle et une humidité absolue plus basse si on tient compte des apports hydriques. Le point de soufflage (As) est situé à gauche, plus bas que celui de l’habitacle (Ai) (Figure 18). Ð5 < 0 (Ã < 0) 68 ÐÄ > 0 (Ã< > 0)
Courbe de saturation ÐÄ > 0 Ð5 > 0
Ai Ã< > 0
As à >0 Figure 17. Point de soufflage en saison estivale par rapport au point de l’intérieur
Courbe de saturation
Ð5 < 0 ÐÄ > 0
Ai Ã< > 0 As à <0
Figure 18. Point de soufflage en saison hivernale par rapport au point de l’intérieur Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques
3.2.1. Les facteurs influant sur la charge d’un Local: Plusieurs facteurs contribuent à la charge dans local sous les mêmes conditions extérieures, exemple: • • • • • • • •
Surface des vitres, couleur des vitres (une vitre teintée offre un gain de 3°C et plus) Couleur des murs et type de peinture (les couleurs sombres et mates absorbent plus de chaleur) Rideaux et abris Isolant Volume du local Equipement électronique interne (lecteur CD/DVD, écran, PC, cafetière, …) Eclairage Nombre et métabolisme des occupants
3.2.2. Conditions de soufflage Pour déterminer le point de soufflage, il faut au préalable: • •
•
Calculer les charges thermiques et hydriques dans le lo&cal Ð5 68 ÐÄ en [kw] Fixer un écart de soufflage Δ 5 [°K] ou un taux de brassage. Dans le premier cas la température de soufflage est donc connue, dans le deuxième cas le débit de soufflage º 45 [kgas/s] sera imposé. Si l’écart de soufflage est donné, on passe au calcul du débit de soufflage ; sinon (débit donné), l’écart de soufflage sera calculé à l’aide de la puissance sensible du bilan thermique comme suit: Ð5 = º 45 . t• . Δ Δ
5
=|
•
−
5|
5
avec, t• : =9A9=;8é =9 <;£;™B6 :6 . 9;< à A<677; º 45 : débit massique de l. air sec
• : température
5 : température
=
789 86
de l. intérieur(Ai) de soufÖlage (±7)
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques • • • •
Après avoir déterminé l’écart de soufflage, on peut tracer sur le diagramme de l’air humide : Le point (Ai) relative aux conditions intérieures imposées par le cahier de charge D • , HR%); La verticale de la température sèche du point de soufflage ( 5 ) La position du point de soufflage sur la verticale de la température ( 5 ) qui peut être déterminée par l’intersection avec la droite de soufflage. La droite de soufflage peut être tracée facilement sur un diagramme d’air humide doté d’une échelle de référence de pentes de droite centré autour d’un point fixe. La pente de soufflage Ù est calculée à l’aide des équations suivantes : Ù=
Љ [ Î/ ƒz4~ ] ºz
ÐÄ = º z
Å
[ »]
avec, º z ∶ :éÛ;8 massique :6 ′ℎB ;:;8é [ ƒz4~ /7 ]
Å
∶ =ℎ9 6B< 986 86 :6 . 69B [ Î/ ƒz4~ ] Ù
Courbe de saturation
Droite de pente de soufflage
Ai Ã<
As Ã
5
Figure 19. Droite de pente de soufflage
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Chapitre 3 : Les charges thermo-hydriques
3.2.3. Etude de cas : On souhaite climatiser un local dans la saison d’été. Le cahier de charge comporte : • • • • • • • • •
Les conditions climatiques de base : Ambiance intérieure : 26[°C], humidité relative non contrôlée Ambiance extérieure : 32 [°C], 60[%] Conditions de soufflage : Température de soufflage 5 = 10[°t] Taux d’air neuf ÜÝÞ = 25% Charges thermo-hydrique : Charge sensible : 5000 [W] Charge latente : 120 [geau/s]
La figure ci-dessous donne le schéma synoptique de l’installation : E
M
S L
R Local Désignation des points d’air : • • • • •
E : air neuf ou air extérieur R : air recyclé M : air du mélange d’air neuf et d’air recyclé S : air de soufflage L : air du local
Travail demandé : 1) Déterminer les conditions de soufflage : (ß), ˆ(ß), º 45 2) Déterminer le point de mélange 3) Déterminer les caractéristiques de l’air à la sortie de la batterie froide sachant que la puissance de la batterie froide Á = 5 [ à] et son facteur de chaleur sensible Î =
∆} ∆•
= 25000[kJ/kg â!ã ]
4) Déterminer la puissance de chauffage soufflage
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‚
nécessaire pour atteindre le point de
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement dâ&#x20AC;&#x2122;air
4 Les centrales de traitement dâ&#x20AC;&#x2122;air
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
4. Les centrales de traitement d’air Dans ce chapitre on va décrire les composants de la centrale de traitement d’air en rappelant son rôle et son fonctionnement
4.1. Introduction Les centrales de traitement d’air (CTA) permettent de maîtriser en température et parfois en hygrométrie la qualité de l’air soufflé. Les centrales sont constituées d’éléments préfabriqués et assemblés dans un caisson de soufflage et éventuellement dans un caisson de reprise.
Figure 20. Photo d'une CTA Les centrales de traitement d’air sont principalement utilisées : •
Pour traiter l’air neuf d’aération à introduire dans les bâtiments.
On parlera alors de centrale d’aération ou de centrale « tout air neuf aérer les bâtiments est de l’ordre de 20 à 30 [m /h] et par personne.
».
Le débit soufflé pour
3
Le plus souvent, une centrale d’aération ne participe pas au chauffage des locaux. Elle n’assure que le réchauffage (et éventuellement le refroidissement) de l’air neuf, pour l’amener de la température extérieure à la température ambiante. L’air neuf soufflé est alors neutre d’un point de vue thermique (il n’apporte ni chaleur ni refroidissement) aux locaux concernés. Le chauffage et la climatisation des locaux sont alors assurés par un autre système à même de traiter les déperditions (hors aération) et éventuellement les charges de climatisation. Il peut s’agir par exemple d’un circuit de radiateurs ou de ventilo-convecteurs.
Page 57 / 82
Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air •
Pour assurer l’aération et le chauffage (et éventuellement le refroidissement) des locaux.
Le seul débit nécessaire à l’aération des locaux (20 à 30 [m /h] et par personne) est en général trop faible pour permettre le chauffage (et éventuellement la climatisation) des locaux. En complément de l’air neuf, la centrale recycle alors de l’air repris dans les locaux traités. La centrale n’est plus de type « tout air neuf ». 3
4.2. Constitution des centrales de traitement d’air Les centrales de traitement d’air sont composées de plusieurs éléments qui varient selon la conception. Le concepteur détermine la nature et l’ordre des composants de la centrale de traitement d’air (CTA) en fonction des résultats désirés. La Figure 21 montre un exemple de composition comprenant : • • • • • • •
un caisson de mélange (1) ; un caisson de filtration (2) ; une batterie chaude (préchauffage) (3) ; une batterie froide (4) ; une batterie chaude (réchauffage) (5) ; un humidificateur (6) ; un ventilateur (7).
Figure 21. Exemple de composition d'une CTA
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
4.2.1. Caisson de mélange Le caisson de mélange standard (2 voies) est généralement utilisé pour réaliser le mélange de deux airs : • •
l’air neuf ; l’air recyclé.
Il est parfois destiné uniquement à assurer une sélection de circuit. Le caisson de mélange standard « 2 voies » comporte, à l’intérieur ou à l’extérieur, des volets dont les lames peuvent être montées en parallèle (Figure 22 a) ou en opposition (Figure 22 b). Le caisson de mélange économiseur à 3 voies permet d’assurer : • • •
le dosage et l’extraction d’air vicié ; le dosage et l’introduction d’air neuf ; le passage de l’air recyclé.
Les 3 volets sont motorisés et solidaires. Il se monte sur une centrale de traitement d’air double qui est dotée de deux ventilateurs destinés à assurer le soufflage et la reprise (Figure 23).
Figure 22. Volets d'un caisson de mélange
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Figure 23. Exemple de montage d’un caisson de mélange
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
4.2.2. Caisson de filtration L’opération de filtration n’a aucune action sur les caractéristiques thermiques de l’air. Elle n’apparaît pas sur le diagramme de l’air humide. Elle crée une chute de pression sur l’air. Elle fait cependant partie intégrante d’une centrale de traitement d’air.
a. Définition Filtrer consiste à éliminer d’un fluide gazeux tout ou partie des particules ou aérosols qu’il contient, en les retenant sur une couche poreuse appelée « média filtrant ». Le tableau 1 donne les techniques de mesure de l’efficacité d’un filtre.
b. Classification Le tableau ci-dessous décrit les différentes qualités des filtres couramment installés dans les centrales de traitement d’air.
Tableau 6. Qualité des filtres
4.2.3. Batterie chaude a. Rôle et fonctionnement La batterie chaude (Figure 24 a) assure le préchauffage ou le chauffage de l’air à l’aide d’un fluide chaud qui peut être de l’eau, de l’eau surchauffée, de la vapeur, la condensation d’un fluide frigorigène.
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air La batterie chaude peut être électrique. Elle est alors composée par des résistances électriques en contact avec l’air. Durant l’opération de chauffage, l’humidité absolue, ou teneur en humidité <, reste constante. En revanche, l’humidité relative ˆ (en %) diminue.
b. Régulation La régulation de la batterie à eau se fait : • • • • • •
soit par variation du débit d’eau. C’est un fonctionnement en répartition ((Figure 24 b) : la température d’entrée d’eau dans la batterie est constante, le débit d’eau dans la batterie est variable et la pompe du circuit général assure la circulation d’eau ; soit par variation de la température. C’est un fonctionnement en mélange ou injection ((Figure 24 c) : la température d’entrée d’eau dans la batterie est variable, le débit d’eau dans la batterie est constant et assuré par une pompe secondaire.
La régulation de la batterie électrique peut être réalisée : • •
en tout ou rien par action sur un ou plusieurs étages ; en progressif par variation de la tension effective.
4.2.4. Batterie froide a. Rôle et fonctionnement La batterie froide (Figure 25 a) assure le refroidissement de l’air, avec ou sans déshumidification, à l’aide d’un fluide froid qui peut être de l’eau glacée ou glycolée ou par évaporation d’un fluide frigorigène (batterie à détente directe). Durant l’opération de refroidissement sans déshumidification, l’humidité absolue ou teneur en humidité < reste constante. En revanche, l’humidité relative ˆ (en %) augmente.
Durant l’opération de refroidissement avec déshumidification, l’humidité absolue < diminue, l’humidité relative ˆ (en %) augmente.
b. Régulation La régulation de la batterie à eau se fait : Ayadi.walid@gmail.com
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air • • • • • •
soit par variation du débit d’eau ; c’est un fonctionnement en répartition (Figure 25 b) : la température d’entrée d’eau dans la batterie est constante, le débit d’eau dans la batterie est variable et la pompe du circuit général assure la circulation d’eau ; soit par variation de la température ; c’est un fonctionnement en mélange ou injection (Figure 25 c) : la température d’entrée d’eau dans la batterie est variable, le débit d’eau dans la batterie est constant et assuré par la pompe secondaire.
La régulation des batteries à détente directe est assurée par un détendeur thermostatique.
Figure 24. Batterie chaude
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
Figure 25. Batterie froide
c. Évacuation des condensats Toutes les batteries froides, qu’elles soient à eau ou à détente directe, sont équipées d’un bac de récupération de condensats. L’eau condensée sur la batterie est recueillie dans ce bac de récupération. Celui-ci est raccordé par une tubulure d’évacuation vers un siphon à l’air libre dont la construction est à prévoir dès l’installation. Ce siphon permet avant tout le bon écoulement de l’eau et a, en outre, deux fonctions essentielles : • •
dans le cas d’un système en dépression, il empêche l’entrée de l’air extérieur ; dans le cas d’un système en surpression, il évite une perte de l’air soufflé.
•
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
4.2.5. Caisson de bipasse a. Rôle et fonctionnement Le caisson de bipasse permet de limiter ou de faire varier la quantité d’air admise sur l’organe traitant. Il peut être monté sur une batterie chaude, une batterie froide ou un humidificateur. Pour influer sur la quantité d’air admise, le caisson de bipasse est doté d’un jeu de volets à action opposée et peut avoir deux utilisations : • •
moduler le débit d’air traité, donc assurer en quelque sorte une régulation ; la Figure 26 d présente un bipasse monté sur un humidificateur ; permettre une économie énergétique dans certains cas de séchage ou de forte déshumidification (piscines).
4.2.6. Humidificateur a. Rôle et fonctionnement L’humidificateur sert à augmenter la teneur en eau de l’air traité, c’est-à-dire à augmenter l’humidité absolue. Pour qu’il y ait humidification, il faut un contact étroit et intensif entre l’air et la source d’humidité. Cette source d’humidité peut être : •
• • •
de l’eau finement pulvérisée et projetée dans le flux d’air où elle se transforme en vapeur. Le changement d’état nécessite un apport de chaleur qui sera fourni par l’air traité (chaleur latente de vaporisation) ; de la vapeur produite : soit indépendamment dans un circuit de distribution alimenté par une chaudière de production de vapeur, soit par un dispositif incorporé.
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
Figure 26. Humidificateurs adiabatiques
4.2.7. Ventilateur a. Rôle et fonctionnement Le ventilateur, ou motoventilateur, permet d’assurer l’écoulement continu de l’air : • • •
dans la centrale de traitement d’air elle-même ; dans le réseau de distribution d’air, par les gaines de soufflage ; dans le réseau de reprise d’air, par les gaines d’aspiration.
Il se compose de deux éléments principaux (Figure 27) : • •
une roue, qui porte les aubes ; une enveloppe, ou volute, qui canalise l’air déplacé par cette roue.
Le ventilateur est centrifuge et véhicule l’air comme suit : •
l’air est aspiré suivant une direction axiale, à travers une ouïe d’aspiration :
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air •
l’air est évacué suivant une direction perpendiculaire à l’axe de rotation, à travers l’orifice de refoulement.
• Figure 27. Ventilateur centrifuge
4.2.8. Accessoires Composant
Description
Pre-goutelette
Une pare-gouttelette parfois constitué d’un simple grillage qui évite l’entraînement de l’eau de condensation sur la batterie froide.
Photo
Les grilles de prise Elles protègent de la pluie et d’air neuf et de rejet de l’entrée de rongeurs ou d’oiseaux grâce à un grillage métallique.
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
Les registres
Un ensemble de 2 ou 3 registres permettant le réglage des débits d’air neuf, d’air recyclé, d’air rejeté, ils se trouvent dans le caisson de mélange. Les registres sont situés à l’entrée de la centrale d’air. Leur ouverture et leur fermeture sont couplés au fonctionnement des ventilateurs. Les registres sont pilotés par des servomoteurs (rotatifs ou linéaires).
Les registres du caisson de mélange permettent : • • •
• • •
L’isolement de la CTA lors de son arrêt. Le réglage du débit d’air neuf et du débit d’air recyclé La récupération d’énergie (« free cooling » ou rafraîchissement gratuit). Les registres sont automatiquement commandés pour augmenter le débit d’air neuf lorsque la température extérieure est favorable à la climatisation des locaux. La protection antigel de la batterie chaude en cas de problème (la fermeture des registres est commandée par un thermostat antigel). La récupération d’énergie (« free cooling » ou rafraîchissement gratuit). Le free cooling consiste en l’introduction maximale du débit d’air neuf en mi-saison lorsque la température extérieure est favorable au rafraîchissement de l’ambiance. Pour cela, les registres sont automatiquement commandés pour augmenter le débit d’air neuf puis le réduire lorsque la température extérieure augmentera ou sera trop faible.
4.3. Type et position des caissons La centrale de traitement d’air peut être constituée d’un unique caisson de soufflage : •
Caisson unique de soufflage sans reprise (caisson tout air neuf).
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air
Remarque : Si la centrale de traitement d’air introduit de l’air neuf, un même débit d’air est rejeté à l’extérieur du bâtiment. Si ce n’était pas le cas, le bâtiment se gonflerait comme un ballon… L’air rejeté est évacué soit par extraction (comme ci dessus), soit par des fuites dues à la mise en surpression des locaux (voir ci-dessous).
Extraction et mise en surpression des locaux peuvent se combiner :
•
Caisson unique de soufflage de reprise sans introduction d’air neuf (caisson de recyclage).
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air La CTA ci-dessus, n’assurait que l’introduction de l’air neuf. La CTA ci-dessous permet l’introduction d’air neuf et lerecyclage d’air repris.
La centrale de traitement d’air peut également être constituée de 2 caissons de soufflage et de reprise (alignés ou superposés).
4.3.1. Exercices 1 1) Dresser la nomenclature des composants présents sur la centrale d'air cidessous :
2) Repérez et nommez les caissons constitutifs de la centrale tout air ci-dessous. Précisez s'ils sont alignés ou superposés.
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air 3) Repérez et nommez les caissons constitutifs de la centrale tout air ci-dessous. Précisez s'ils sont alignés ou superposés.
4) Indiquez la position des registres (ouvert O ou fermé F) dans la centrale cidessous lorsqu’elle fonctionne en tout air neuf. Indiquez par des flèches les sens de circulation de l’air dans les gaines irriguées, les registres et les locaux.
5) Indiquez la position des registres (ouvert O ou fermé F) dans la centrale cidessous lorsqu’elle fonctionne totalement en recyclage. L’extraction dans la circulation est supposée à l’arrêt. Indiquez par des flèches les sens de circulation de l’air dans l’installation. Que se passe-t-il alors dans les sanitaires où l’extraction d’air est en général maintenue ?
Après un fonctionnement de type "recyclage intégral", les registres de la CTA ci-dessus sont positionnés pour permettre un soufflage de 10 000 [m3/h] dans le local, dont 7500 [m3/h] d’air neuf et 2500 [m3/h] d’air recyclé.
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air 6) Indiquez ci-dessous les sens de circulation et les débits en circulation dans toutes les gaines de l’installation La situation initiale étant celle de l'exercice précédent (100% recyclage). Quels mouvements ont respectivement effectué les registres du caisson de mélange ? Quelle est alors grossièrement leur position?
4.4. Caisson de mélange à 3 registres Lorsque la centrale assure l’introduction d’air neuf, le recyclage et le rejet de l’air repris, son caisson de mélange comporte 3 registres : • • •
Registre sur l’air neuf Registre sur l’air recyclé Registre sur l’air rejeté
4.4.1. Exercices 2 1) Indiquez par des flèches les sens de circulation de l’air dans l’installation cidessous lorsqu’elle fonctionne tout air neuf : Indiquez la position des registres (ouvert O ou fermé F) dans la centrale
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air 2) Indiquez par des flèches les sens de circulation de l’air dans l’installation cidessous lorsqu’elle fonctionne totalement en recyclage: Indiquez la position des registres (ouvert O ou fermé F) dans la centrale.
Remarquez sur les schémas ci-dessous : • •
Que les registres fermés en situation « Tout air neuf » sont ouverts en situation « Tout recyclage » Que les registres ouverts en situation « Tout air neuf » sont fermés en situation « Tout recyclage »
Les registres fonctionnent en opposition
a. Fonctionnement « tout air neuf » :
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b. Fonctionnement « tout recyclage »
Remarquez sur les schémas ci-dessus : • •
Que lorsque le registre de recyclage s’ouvre, les registres sur l’air neuf et l’air rejeté se ferment (et inversement). Que les registres fonctionnent en opposition.
Tenez bien compte de ces remarques pour positionner et étudier les mouvements des registres dans l’exercice suivant. 3) La CTA ci-dessous souffle 10 000 [m /h] dans le local, dont 5000 [m /h] d’air neuf. Indiquez les débits en circulation dans toutes les gaines. Quel est en [m3/h] le débit d’air recyclé ? Si la situation initiale était celle du tout recyclage (exercice précédent), quels mouvements ont respectivement effectués les registres du caisson de mélange? Quelle est maintenant leur position? 3
3
4.5. Les caissons de mélange sur les caissons alignés Lorsque les centrales d’air sont constituées de 2 caissons alignés, la vision extérieure du caisson de mélange est moins simple, mais le fonctionnement est similaire.
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4.5.1. Exercices 3 1) Indiquez sur la centrale ci-dessous: • • •
Le registre sur l’air neuf Le registre sur l’air recyclé Le registre sur l’air rejeté
2) Indiquez ci-dessous : • •
Le sens de circulation de l’air pour un fonctionnement en tout air neuf La position correspondante des registres (ouvert O ou fermé F).
3) Indiquez ci-dessous : • •
Les sens de circulation de l’air pour un fonctionnement totalement en recyclage La position correspondante des registres (ouvert O ou fermé F).
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Chapitre 4 : Les centrales de traitement d’air 4) Indiquez ci-dessous : • • •
Les sens de circulation de l’air dans la centrale ci-dessous lorsqu’elle fonctionne tout air neuf. Précisez la nature de l’air en circulation : Air neuf, air soufflé, air repris (ou extrait), air rejeté. La position des registres (ouvert ou fermés)
.
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Références bibliographiques
Ergonomie des ambiances thermiques - Détermination analytique et interprétation du confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD et par des critères de confort thermique local, NF EN ISO 7730 Mars 2006, Traitement de l’air et climatisation, guide de l’ingénieur, BE 9 271 Bases du calcul des installations de climatisation, Gérard Porcher, Edition. parisiennes-chaud-froid-plomberie, 1993 Conception et calcul des procédés de climatisation, M. Brun et G. Porcher, Paris : E.D.I.P.A., 1979, 2ième édition Mémotech - Génie énergétique, P. Dal Zotto , J.-M. Larre , A. Merlet , L. Picau, Edition Casteilla Collection Mémotech http://formation.xpair.com/voirCours/constitution_centrales.htm http://www.dimclim.fr
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Annexes
Diagramme du R134a (D.P.Wilson & R.S.Basu, ASHRAE Transactions 1988, Vol. 94 part 2)
Diagramme de l’air humide (Traitement de l’air et climatisation, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique)
Diagramme de l’air humide à coordonnés rectangulaires (PsychroDiag F P 2007)
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