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5/11/2018 Chap3-Traitement_de_l_air - slidepdf.com

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BTS FEE 1ère Année Cours de Climati satio n LGT Galilée

Chap3: Traitement de l'air 1

TTRRAAIITTEEMMEENNTT DDEE LL''AAIIRR

I. LES DIFFERENTES OPERATIONS DE TRAITEMENT DE L ' AIR

I.1. R EMARQUE PRELIMINAIRE

Le débit massique d’air sec est la seule grandeur qui reste constante quel que soit le traitement étudié:chauffage, refroidissement et/ou déshumidification, humidification.

I.2. C HAUFFAGE

I.2.a. Généralités

Il y a augmentation de température par apport de chaleur sensible uniquement (il n’y a ni condensation, ni

évaporation d’humidité : r s = Cte).

Le chauffage se fait par passage de l’air sur une batterie chaude qui peut être :

F un échangeur alimenté par de l’eau chaude,F une résistance électrique (pour les faibles puissances).

Ö Représentation sur le diagramme psychrométrique:

θ1

θ2

r = constante• ‚

I.2.b. Calcul de la quantité de chaleur gagnée par l’air au passage sur une

batterie chaude

θ1θ

2

• ‚

h

hs

1

hs2





Elle correspond à l’augmentation d’enthalpie de l’air : ∆Hs = Hs2 - Hs

1 kJ/kgas

Exercice:

θ1θ2

• ‚

h

hs

1

hs2

v1

v2

ϕ1 ϕ2

r = Cte

Déterminer la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg as pour amener sa température à 25°C.

Corrigé:

rs1 = rs2 = 0,0063 [kgvap/ kgas]

ϕ1 = 60 % ϕ2 = 32 %Hs 1 = 31 kJ/ kgas Hs 2 = 41 kJ/ kgasVs 1 = 0,824 m3/ kgas Vs2 = 0,852 m3/ kgas

θr1 =θr2 = 7°C

θh1 = 10,8°C θh2 = 15°C

La puissance P à fournir à cet air humide pour passer de l'état 1 à l'état 2 est par suite:

P= Hs 2 - Hs 1 = 41 - 31 = 10 kJ/ kgas

I.2.c. Puissance fournie à l’air par une batterie chaude

C’est le produit du débit massique d’air sec par la variation d’enthalpie spécifique.

{ {P

kJ s

Qmas

kgas s

hs

kJ kgas

kW

/ / / 123

123= ⋅ ∆

Exercice 1

Qv = 200m3 /h

θs1 = 15°C

θh1= 10°C

v1 = 0,823m3 /kg as

θs2 = 20°C

1. Donner les caractéristiques de l’air après passage sur la batterie chaude

2. Déterminer la puissance de la batterie





Réponse:

θs2 = 22°C, θh2 = 13,2°C, θr2 = 6°C

ϕ2 = 34 %, v2 = 0,844 m3/kg as, M2 = 0,0055kg/kghs2 = 36 kJ/kghs1 = 29,2 kJ/kgDh = 36-29.2 = 6,8 kJ/kgQmas = 200/0,823 = 243kg as/h = 0,0675 kg as/sP = 0,0675 x 6,8 = 0,459 kJ/s = 0,459 kW

Remarque : Calcul de Qv2

Qv2 = v2 . Qmas = 0,843 x 243 = 205 m 3/hAttention, c’est la débit massique qui est constant.

Exercice 2

Air Extérieur

Qv = 1000m3 /h

θs1

= 15°C

ϕ1= 80 %

P = 5 kW

Quelle est la température de l’air après la batterie de préchauffage ?

Réponse :

V1 = 0,793 m3/hQmas1 = 1000/0,793 = 1261 kg as/h = 0,350 kg as/shs1 = 15 kJ/kg asP = 0,35 (hs2 - hs1)hs2 = (P/0,35) + hs1 = (5/0.35) + 15 = 29,3 kJ/kg as

θs2≈ 23,6°C

I.2.d. Technologie, régulation, sécurité

q Batterie à eau chaude

Technologie

La batterie comporte un certain nombre de tubes sur lesquels sont serties ou soudées des ailettes. Les tubesconstituent un certain nombre de circuits qui sont reliés à un distributeur et un collecteur afin de limiter les pertesde charge.

Remarque: En ce qui concerne l'évolution des températures dans ce type d'échangeur ainsi que son efficacité(cf. cours de thermique §chap5: échangeurs).





Régulation

La solution la plus utilisée est unerégulation de la puissance fournie par variation de débit (V2V ou V3Vmontée en répartition ou décharge inversée) car il s'agit de la solution la moins onéreuse.

On constate néanmoins une assez grande instabilité de ce type de régulation (notamment pour les batteries defaible efficacité, inférieure à 10%): pour des débits proches du débit nominal, la puissance émise reste inchangéealors que pour les faibles débits on a quasiment affaire à dupompage.

Techniquement, il vaut mieux une régulation par modification de latempérature d'entrée (montage en mélange); en effet ce procédé quiimplique la mise en place d'une pompe et donc un coût d'exploitation plusélevé, possède une très bonne progressivité de régulation (linéarité quasiidéale entre la température d'entrée et la puissance émise)





Protection anti -gel (TAG)

Un thermostat de sécurité anti-gel (TAG) à réarmement manuel est placé après la batterie chaude afin d'éviter unéclatement du circuit d'eau sous l'effet du gel (en cas de déficience d'alimentation en eau chaude et d'air àtempérature négative).

Ce thermostat, lorsqu'il détecte une température inférieure à la consigne anti-gel (5°C par exemple):

- force l'ouverture de la vanne de régulation- arrête les ventilateurs (soufflage, reprise..)- ferme le volet d'air neuf - enclenche une alarme

q Batterie électrique

Technologie

La batterie comporte un ensemble d'épingles ailetées contenant des résistances. Pour les petites puissances,l'alimentation est monophasée. Pour les puissances les plus élevées, l'alimentation est triphasée.





Régulation

• Régulation en cascade ou étagée

Les résistances élémentaires sont associées de façon à constituer des ensembles de puissances différentes.

Les résistances ainsi obtenues alimentées à travers des contacteurs, eux-mêmes commandés par uncommutateur électronique ou électromécanique (cames entraînées par un moteur).

Cette disposition permet une bien meilleure progressivité qu'avec le même nombre de résistances identiques.





• Régulation progressive par variation de puissance

Les résistances sont alimentées par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique (également appelé triac) quipermet un nombre de commutations pratiquement infini. C'est la durée d'impulsion qui fait varier la puissance dela résistance. Sur une période, la puissance moyenne est égale à:

Pnarrêtd'tempsmarchedetemps

marchedetempsP ×

+=

A noter que les variateurs de puissance sont des matériels encore coûteux pour les puissances élevées, de sorteque l'on combine les 2 types de régulation en pilotant le dernier étage avec un variateur de puissance.





Protection contre les surchauffes

Contrairement aux échangeurs, la puissance émise reste constante quel que soit K (coefficient d'échange).*

Si K diminue (suite à un encrassement ou une diminution du débit), alors la température de la résistance vaaugmenter.

Aussi, pour éviter une détérioration de la résistance, on met en place les dispositifs de sécurité suivants:

- Thermostat à réarmement manuel en sortie de batterie- Interrupteur thermique fixé sur la résistance- Un contrôleur de débit- Le fonctionnement de la résistance est asservi au fonctionnement du ventilateur

q Batterie à vapeur

La technologie des batteries à vapeur est semblable à celle des batteries à eau chaude; on distingue seulement

une alimentation par le haut afin d'évacuer gravitairement les condensats.

La régulation est réglée au moyen d'une vanne 2 voies en fonction des besoins.

Avantages (par rapport à une batterie à eau chaude):

- Mise en régime plus rapide- Pas de risque de gel puisqu'il n'y a pas d'eau dans la batterie lorsque celle-ci n'est pas alimentée

(évacuation gravitaire des condensats).





I.3. R EFROIDISSEMENT SANS DESHUMIDIFICATION ( R S = CTE )

I.3.a. Présentation

La température de surface de la batterie est supérieure à la température de rosée de façon à ce qu’il n’yait pas de condensation .

La batterie n’échange avec l’air que de la chaleur sensible. On parle de batterie sèche.

Le refroidissement se fait par passage de l’air sur une batterie froide qui peut être :

F un échangeur alimenté par de l’eau glacée (glycolée ou non),F un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe).


2 1

I.3.b. Calcul de la puissance de la batterie froide

{ {P

kJ/s

= Qmas

kgas/s

h123

⋅ −

∆

kJ kgas / (> 0)

C’est le produit du débit massique d’air sec par la variation d’enthalpie spécifique.

Exercice

air 1

Qv = 500 m3 /h

θs1 = 35°C

ϕ1 = 30 %

P = 2 kW

air 2

Déterminer les caractéristiques de l’air après passage sur la batterie froide sèche.





Corrigé:

v1 = 0,886 m3/kg asQmas1 = (500/0,886) = 564 kg as/h = 0,157 kg as/shs1 = 62 kJ/kg asP = -Qmas1 (hs2 - hs1) d’où hs2 - hs1 = -P/Qmas1donc hs2 = hs1 - (P/Qmas1) hs2 = 62 - (2/0,157) = 49 kJ/kg as

I.4. R EFROIDISSEMENT AVEC DESHUMIDIFICATION

I.4.a. Présentation

La chaleur cédée par le fluide se décompose:

- chaleur sensible (diminution de la température)- chaleur latente (diminution de l'humidité)

La température de surface de la batterie est inférieure à la température de rosée de sorte qu’il se produitune condensation de la vapeur d'eau.

Le refroidissement se fait généralement par passage de l’air sur une batterie froide humide qui peut être commepour une batterie froide sèche:

F un échangeur alimenté par de l’eau glacée (glycolée ou non),F

un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe).

Il existe d'autres appareils permettant de réaliser le traitement de déshumidification de l'air qui sont les sécheurs,mais dont l'emploi est souvent spécifique (moins généralisé que les batterie froides). Il en existe plusieurs types:

- Par absorbant liquide (solution à 40% de chlorure de Lithium par exemple pulvérisée sur l'air puisrégénérée); exemple: sécheur "Kathabar".

- Par adsorbant solide (utilisation de matériaux hygroscopiques – très poreux – régénérés par chauffage).

NB : dans les sécheurs, l’air n’est pas refroidi.


Les caractéristiques de l’air en sortie de BF dépendent de la température du fluide de refroidissement.

- Pour une batterie à détente directe T FPT = Tévap- Pour une batterie à eau froide TFPT = (Te+Ts) /2

Cette température permet de connaître le point de fin de processus théorique (FPT) qui est indispensable pour letracé de cette évolution dans le diagramme de l’AH.

Ce point (FPT) correspond à la couche limite (d'air) au contact de la pellicule d'eau condensée à la surface de la

batterie froide, considérées à la même température que la température moyenne du fluide primaire.

1 2

θs 35 22

θh 17,5 21,5

θr 15 15

ϕ 30 % 63 %

r 0,00105 -

v 0,886 0,851





L'air à la sortie de la batterie est en effet le résultat du mélange entre l'air non -affecté par le traitement etl'air saturé (FPT).

La proportion de ce mélange dépend de l'efficacité de la batterie

FPT FPT SS

SS

FPT r r

r r

hh

hh

θθ

θθε

−−=−−=−−=1

21

1

21

1

21

Remarque

On cherche à éviter le colmatage par givrage de la batterie (dans le cas contraire, on met en place un systèmede dégivrage) donc la température du fin de processus doit être supérieure à 0°C, ce qui fixe une limite pratiqueà la déshumidification de l'ordre de 4 à 5 [g/kgAS].

Aussi, pour obtenir une déshumidification suffisante, on cherche des batteries dont l'efficacité de l'ordre de 80%,

grâce à:

- Une surface d'échange importante- Une grande épaisseur de batterie (plusieurs rangs)- Un pas d'ailette faible (<3mm) et une bonne irrigation de la batterie (nombre de circuits élevés).

I.4.b. Calcul de la quantité de chaleur cédée par l’air:

Même calcul que pour une batterie froide sèche mais une partie de l'énergie cédée par l'air provient de sachaleur latente (déshumidification).





I.4.c. Technologie

Lorsque l’air a une vitesse supérieure à 3m/s il est indispensable de prévoir un séparateur de gouttelettes.

L’eau condensée est collectée dans un bac puis évacuée au travers d’un siphon, dont la garde d'eau évite

l'introduction d'air "extérieur" dans le circuit aéraulique.

I.4.d. Exercice

On cherche à connaître la puissance et l’efficacité d'une batterie froide. La température avant la batterie est de

25°C la température après la batterie est de 10°C, l'humidité spécifique passe de 11 g/kg air sec à 7.5g/kgairsec.Le débit d'air est de 3 kg/s.

⇒ L'enthalpie initiale et finale de l'air sont respectivement égale à 53.5 kJ/kgair sec et 29 kJ/kgair sec

⇒ La puissance de la batterie froide est donc de P = m x ∆H = 1.02 x m x∆T + 2500 x m x ∆r S P = 3 x (53.5-29) = 73.5 kW

= 1.02 x 3 x (25-10) + 2500 x 3 x (0.011-0.0075) = 72.15 kW Remarque

Dans ce cas l'humidité spécifique de l'air varie lorsque celui ci passe à travers la batterie froide, d'ou lapuissance totale est équivalente à la puissance sensible + puissance latente.





I.5. H UMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR

I.5.a. Généralités

Elle est réalisée par injection de vapeur produite par un générateur de vapeur (à une température de 100°C sous

une pression de 1 bar).

Dans ces conditions, l’évolution de l’air se fait à température constante (la chaleur sensible apportée estlargement négligeable devant la chaleur latente).

I.5.b. Calcul de la quantité de vapeur injectée

r1

r2

θs1

1

2

Evolution de

l’air

On ne dimensionne pas le générateur en fonction de sa puissance mais en fonction du débit de vapeur à fournir.

{r r Mv

kg vapeur kgas2 1− =

/

Si on désigne par Mv la masse spécifique de la vapeur injectée par kg as

{ 12 rr=

kgas / kgv

Mv

Qmv : débit massique de vapeur d’eau (kg vapeur/s)

{{

Qmv

kgv s

Mv

kgv kgas

Qmas

kgas s / / /

= ⋅123

I.5.c. Calcul de la quantité de chaleur apportée

∆hs hs hs= −2 1

Exercice 1 : HUMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR





Vapeur

air 1

Qv = 500 m3 /h

θs1 = 25°C

ϕ1 = 20 %

ϕ2 = 50 %

Déterminer le débit de vapeur à injecter.

I.5.d. Technologie

On peut classer les humidificateurs de vapeur en 2 catégories:- Les humidificateurs qui utilisent la vapeur d'un réseau (production centralisée)- Les humidificateurs autonomes qui produisent eux-mêmes la vapeur

q Humidificateurs reliés à un réseau de vapeur (grosses puissances)





q Humidificateurs autonomes (de 1 à 80kW soit 1 à 10kg/h)

On distingue 3 types de générateurs de vapeur autonomes selon le procédé de chauffage et de vaporisationutilisé:

- A résistance (le plus courant)- A électrodes- A rayonnement infrarouge

Remarque

Le dispositif de production de vapeur doit être relié à la rampe d'injection en respectant les pentes afin depermettre l'écoulement des condensats.

Il est également indispensable de préserver une longueur droite et sans obstacle, suffisante après la rampe

d'injection, afin d'éviter tout risque de condensation sur les parois.

I.6. H UMIDIFICATEUR ADIABATIQUE :

I.6.a. Principe

On pulvérise de fine gouttelette d'eau dans l'air à humidifier. Une partie de ces gouttelettes vont s'évaporer enempruntant de la chaleur à l'air, l'air va se refroidir et son humidité va augmenter.

La chaleur sensible qu'il perd en se refroidissant est compensée par la chaleur latente qu'il gagne en

s'humidifiant, si bien que la quantité de chaleur totale contenue dans l'air ne varie pas. ⇒l'enthalpie ne varie pasau cours de cette transformation.





L'humidification est représentée par une droite, le sens d'évolution se fait de la droite vers la gauche selon uneisenthalpe.

I.6.b. Technologie

On distingue les laveurs à eau recyclée (LER) des humidificateurs à pulvérisation directe (rotatifs ou à ultrasons).

q Laveurs à eau recyclée (LER)

- A ruissellement

- A pulvérisation





II. COMPOSITION D'UNE CTAOn retrouvera principalement les éléments suivants en fonction du cas étudié:

Eléments Symbole Fonction

Caisson de mélange

Mélanger l'air neuf (AN) et l'air recyclé (AR), lesproportions étant fixées par les registres d'air eux-mêmes actionnés par un servomoteur commandé par le régulateur)Les caractéristiques de l'air obtenu en sortie ducaisson dépendent des caractéristiques des airsneuf et repris

FiltreRetenir les particules en suspension dans l'air.Il ne modifie pas les caractéristiquesthermodynamiques de l'air.

Batterie froide

Refroidir et/ou déshumidifier l'air. La batteriefroide agit sur la température de l'air et sur l'humidité spécifique (généralement).La régulation se fait généralement par vanne 3voie (en fonction du débit)

Batterie chaude

Réchauffer l'air. Seule la température de l'air estmodifiée.

La régulation se fait généralement par vanne 3voie (en fonction du débit)

Batterie électrique

Réchauffer l'air.La régulation se fait généralement en cascadeavec éventuellement variation de puissance sur le dernier étage de puissance.

Humidificateur

Augmenter la quantité d'eau (vapeur) contenuedans l'air (à traiter). Suivant le type detechnologie (à vapeur ou adiabatique), latempérature reste quasiment constante oudiminue. Dans tous las cas l'humidité spécifiqueaugmente.

Ventilateur Distribuer l'air dans les réseaux. Ne modifiequasiment pas les caractéristiques de l'air soufflé (léger échauffement ...)

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