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MECA 1855

THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE

L’air humide

H. Jeanmart herve.jeanmart@uclouvain.be

Année académique 2011-2012

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Sommaire •  Les caractéristiques de l‘air humide •  Le diagramme de Mollier

•  Mélange isobare •  Le psychromètre

•  Formation de givre et brouillard

•  Canon à neige •  Les réfrigérants atmosphériques

•  Contexte •  Tour à tirage naturel

•  Tour humide/sèche

•  Conditionnement d‘air •  La définition du confort humain

•  Principes de la climatisation •  Climatisations d‘été et d‘hiver

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Pourquoi s‘intéresser à l‘air humide?

Thermal drying operations are found in almost all industrial sectors and are known to consume 10-25% of the national industrial energy in the developed world. With emerging economies rapidly industrializing various economic sectors, the energy consumed for thermal drying and the resulting adverse environmental impact of the greenhouse gas emissions will inevitably rise with time.

Prof. Chung Lim

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Expression de la chaleur massique de l‘air pour évaluer son enthalpie à toutes les températures

xO2= 0,210 xN2

= 0,781! xA = 0,009

Chaleur massique à pression constante de 0°C à 100°C

(p en MPa et t en °C)

cp =1,0048+0,00009(1! p)t +0,019p kJ .kg!1.°C!1

Chaleur massique à pression constante de 0°C à 100°C

(p=0.1 MPa et t en °C)

cp =1,0067+0,00008t kJ .kg!1.°C!1

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Comment exprimer le contenu en eau de l‘air? Deux approches.

a

v

MMx =

'vv

pp

=ϕ

Humidité absolue

Humidité relative

[ ]sec aireau kgkg

[ ]−

1ϕ = correspond à la saturation en eau

On peut également définir l sx x

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Lien nécessaire entre les deux approches

a vp p p= +

a v vp p p p pϕ ʹ′= − = −

et a v

a v

p pn n

=

Lien entre les deux définitions (mélange de gaz)

/18/ 28.96

v v v v v

a a a v v

p n M p pp n M p p p p

ϕϕ ϕ

ʹ′= = = =

ʹ′ ʹ′− −

0.622 v

v

pxp pϕϕʹ′

=ʹ′−

7

' ' '

18 28,96(1 ) 28,96 10,96v v vm

p p pMp p p

ϕ ϕ ϕ= + − = −

' '8314,3 287,1'

28,96 10,96 1 0,378v v

Rp pp p

ϕ ϕ= =

− −

Masse molaire du mélange :

Constante du mélange :

Le mélange d‘air et d‘eau est un gaz parfait

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Enthalpie du mélange d‘air et d‘eau pour évaluer les bilans d‘énergie

On évalue toujours les propriétés du mélange par rapport à la quantité d’air sec

,

0 ,

,

0 ,

( )

( )

a p a

v lv p v

l p l

s ls p s

h c th h c th c th h c t

=

= +

=

= − +

Enthalpie de l’air sec kJ/kgas

Enthalpie de l’eau vapeur kJ/kgv

Enthalpie de l’eau liquide kJ/kgl

Enthalpie du solide kJ/kgs

a v v l l s sh h x h x h x h= + + +

9

[ ]sec airkgkJ,

0

,

,

0

,

1.009 /

( ) 2501.6 /1.854 /

4.187 /

( ) 333.5 /2.093 /

p a

lv

p v

p l

ls

p s

c kJ kgKh kJ kgKc kJ kgKc kJ kgKh kJ kgKc kJ kgK

=

=

=

=

=

=

⇒ Diagramme enthalpique

(Mollier)

( ) )( ,0,,,0,, tchxtcxtchxtch splsslplvplvvap +−++++=

Enthalpie du mélange d‘air et d‘eau pour évaluer les bilans d‘énergie

Contribution importante de la chaleur d’évaporation de l’eau

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Le diagramme de Mollier Construction des isothermes en régime non saturé

( ), ,0 , ,0 , ,p a v lv p v lv v p a p v vh c t x h c t h x c t c tx= + + = + +

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Le diagramme de Mollier Construction des isothermes humides (et de glace)

( ), ,0 , ,p a v lv p v p l lh c t x h c t c txʹ′= + + +

Coexistence liquide et glace

12

0.05

0.1

0.20.3

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

φ=0.02

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100°C

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

h=0

275

300

325

350 kJ/kg

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 0.1x=0

OI

0°C

100°C

0°C-50°CScale IScale II

0 500 1000 1500 2000

2500

3000

3500 kJ/kg

OII

p=100kPa

Le diagramme de Mollier Aspect général

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Mélange isobare 2 quantités d’air humide

1 1 1 1 2 2 2 21 ( , , , ) , 2 ( , , , )x t h x t hφ φ

1 2

1 1 2 2

1 1 2 2

m

m m

m m

M M MM x M x M xM h M h M h

= +

= +

= +

1 2

1 2

m m

m m

h h h hx x x x− −

=− −

Bilan de masse d’air sec:

Bilan de masse d’eau:

Bilan d’enthalpie:

D’où:

14

Mélange isobare 2 quantités d’air humide

15

Mélange isobare Air humide et de l’eau

1

1 1 2

1 1 2 2

m

m m

m m

M MM x M x MM h M h M h

=

= +

= +

12

1

m

m

h h hx x−

=−

Bilan de masse d’air sec:

Bilan de masse d’eau:

Bilan d’enthalpie:

D’où:

16

Le psychromètre Principe de fonctionnement

17

Le psychromètre Principe de fonctionnement

18

Le séchage Principe de fonctionnement

!Me =!Ma (x3 ! x1)

!Q+ !Mah1 + !Mscta + !Mecp,lta = !Mah3 + !Msctb

3 13 1

3 1

( ) ( )a sb a

e e e

Q M M h hh h c t t qM M M x x

−= − + − = +

−

Bilan de masse d’eau: Bilan d’enthalpie:

ou

19

Le séchage Principe de fonctionnement

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Influence de la pression

Soit de l’air à pression atmosphérique - Patm = 100000 Pa - t atm = 20 °C - Humidité absolue = 0.00735 kg/kg A.S. ⇒ - Psat (20 °C) = 2336 Pa - P partielle vapeur = 1168 Pa - Fraction molaire H2O = 1.168 % - Humidité relative = 50 %

Compression isotherme à 2 bars - P = 200000 Pa - t atm = 20 °C - Humidité absolue = 0.00735 kg/kg A.S. ⇒ - Psat (20 °C) = 2336 Pa - P partielle vapeur = 2336 Pa - Fraction molaire H2O = 1.168 % - Humidité relative = 100 %

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Formation de buée, givre et brouillard - principe

Conditions favorables:

•  Temps clair

•  Forte humidité relative

•  Peu de vent

•  noyaux de condensation

Formation de buée, brouillard

Formation de givre

22

10 20 30 40 50240

250

260

270

280

Formation de buée, givre et brouillard – exemple Température d‘une surface (approche fortement simplifiée)

4Tεσ( )TTh air −1

( )TTh air −2

À l‘équilibre thermique

( ) ( ) 421 TTThh air εσ=−⋅+

T

21 hh +

273=airT

283=airT

T, la température de la plaque On en déduit

8.0=ε

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Le canon à neige – principe de fonctionnement

Ctl °= 0

Cts °= 0

Conditions atmosphériques

Adjonction d‘eau pulvérisée

Conditions favorables:

•  Temps sec

•  Température basse (< 5°C)

•  Altitude (basse pression)

•  Pulvérisation fine

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Le canon à neige – conditions limites

0102030405060708090100

0 5 10 15

Conditions limites pour la

formation de la neige

kPap 100=

kPap 70=

T

[%]ϕ

P [kPa]

Tmax

[°C] 100 9.5

90 10.5 80 11.9 70 13.6

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Réfrigérants – contexte

Refroidissement de l‘eau du condenseur

Condenseur

•  Circuit ouvert

•  Réfrigérant atmosphérique

Tirage naturel

Tirage forcé

Tour humide/sèche

26

Réfrigérants – tour à tirage naturel Illustration

Document Hamon

27

Réfrigérants – tour à tirage naturel Flux d‘eau et d‘air

28

Eq. bilan, débits-masses •  air sec :

•  eau :

Réfrigérants – tour à tirage naturel Bilans de l‘installation

ctemas =

appevas mmxxm ==− )( 12

( ) eleveassleas tcmmhmtcmhm −+=+ 21

( ) ( ) elevesleas tcmttcmhhm +−=− 12

Eq. bilan, puissances

( ) ( ) applappesleas tcmttcmhhm +−=− 12 eapp tt =si

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Puissance dissipée :

!Q= !QCONV+!QEVAP

!QCONV=(0.20 ... 0.30)!Q

!QEVAP=(0.80 ... 0.70)!Q

Réfrigérants – tour à tirage naturel Les flux de chaleur

( ) 111111 tcxtchxtch llvlvva +++=( ) 222222 tcxtchxtch llvlvva +++=

( ) ( ) ( )[ ] ( )elvlvevvvaasesle tctchmttxcttcmttcm −++−+−=− 212112

( ) evapconvesle QQttcm +=−

Hypothèses simplificatrices

30

Données observées (~ 400 MWél)

!Q= !me ce (ts! te)=428.7 103 kW!QEVAP= !mev (2501.6+1.854 ta2!ce te)=314.9 103 kW!QCONV =

!Q! !QEVAP=113.8 103 kW

Résultats

!me = 8.103 kg / s (8m3 / s)

ts = 42.8°C

te = 30°C

ta1 =15°C

!1 = 0.8 , xa1 = 0.0085 , tah1 =13°C

ta2 = 25°C

!mev =130 kg / s (0.13m3 / s)

Réfrigérants – tour à tirage naturel Exemple

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Réfrigérants – tour humide/sèche

Document Hamon

Illustration

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Réfrigérants – tour humide/sèche

1

2 3

4

1=3

2 4

1=3 4

2

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Climatisation – le confort humain Zone de confort

•  Conservation des produits : entrepôts, magasins … •  Opérations de fabrication : alimentation, électronique, textiles, électromécanique… •  Confort des occupants : bureaux, hôpitaux, salle de réunion,spectacle…

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Le combustible déchargé à chaque cycle (environ une année) contient les éléments suivants:

-  33 tonnes d’uranium faiblement enrichi

-  360 kg de plutonium

-  1.2 tons de produits de fissions

-  27 kg d’actinides mineurs

-  14 kg de neptunium

-  12 kg d’americium

-  1 kg de curium

Combustible encore exploitable

= 96%

Energétique : combustible nucléaire …

Réacteur ADS : MYRRHA

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Energétique : combustible nucléaire …