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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 230 − 1 Air humide par Maxime DUMINIL Professeur à l’Institut Français du Froid Industriel (CNAM) et à l’École Centrale des Arts et Manufactures ’air est un mélange gazeux d’une rare complexité. Sa pression et sa température varient constamment en un même point, sa composition même subit des changements dans l’espace et dans le temps en fonction des corps qu’on y rejette ou qu’on y prélève. Pesant et soumis aux lois de la thermo- dynamique, sa pression et sa température varient fortement avec l’altitude. Dans ce mélange, une vapeur condensable joue un rôle particulièrement important : l’eau. Au centre des phénomènes vitaux, des processus physiologiques, des manifestations météorologiques, l’eau accompagne l’air toujours sous la forme de vapeur, très souvent sous ses formes condensées, eau liquide ou glace, conférant à l’air humide des propriétés particulières que l’on s’attache à utiliser ou contre lesquelles on cherche à se défendre. 1. Air atmosphérique................................................................................... B 2 230 - 3 1.1 Pression et température en fonction de l’altitude..................................... — 3 1.2 Composition de l’atmosphère type............................................................ — 3 2. Propriétés et grandeurs de l’air humide............................................ — 4 2.1 Pressions et masses volumiques ............................................................... — 4 2.2 Humidité spéciﬁque..................................................................................... — 5 2.3 Volume massique. Volume spéciﬁque....................................................... — 6 2.4 Humidité relative ......................................................................................... — 6 2.5 Degré de saturation..................................................................................... — 6 2.6 Enthalpies. Chaleurs massiques. Chaleurs spéciﬁques ........................... — 6 2.7 Températures caractéristiques de l’air humide......................................... — 9 2.8 Diagrammes de l’air humide ...................................................................... — 11 3. Opérations élémentaires de traitement de l’air humide............... — 14 3.1 Mélange adiabatique de deux airs humides de caractéristiques différentes .................................................................................................... — 14 3.2 Échauffement de l’air à humidité spéciﬁque constante (apport purement sensible, air non sursaturé) ......................................... — 15 3.3 Refroidissement de l’air à humidité spéciﬁque constante (refroidissement purement sensible)......................................................... — 16 3.4 Refroidissement de l’air avec déshumidiﬁcation...................................... — 17 3.5 Humidiﬁcation de l’air................................................................................. — 18 3.6 Déshumidiﬁcation de l’air........................................................................... — 22 3.7 Synthèse des conditions d’évolution de l’air ............................................ — 22 4. Schéma général d’une installation climatique. Nomenclature des airs........................................................................................................ — 23 5. Exemples d’évolution de l’air dans une installation de conditionnement d’air ...................................................................... — 24 5.1 Conditionnement d’hiver ............................................................................ — 24 5.2 Conditionnement d’été................................................................................ — 25 5.3 Traitement d’air : puissances caloriﬁque et frigoriﬁque, débit d’eau...... — 26 5.4 Bilans globaux, massiques et énergétiques.............................................. — 26 L AIR HUMIDE __________________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 2 230 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique Les importants phénomènes thermiques qui accompagnent les changements d’état de l’eau jouent également un grand rôle dans les processus naturels ou industriels. Tous les phénomènes évaporatoires qui affectent les êtres vivants, les opérations industrielles, les conditions climatiques sont directement liés à la richesse en eau de l’air atmosphérique. La conservation des produits, des œuvres d’art, des documents est dépendante de la teneur en eau de l’air qui les baigne. C’est dire les multiples raisons qui poussent l’homme à s’intéresser à l’air humide. Les conditions du confort humain imposent que l’atmosphère qui nous entoure ait une température et une humidité comprises, somme toute, dans des limites assez étroites. Les techniques de la climatisation tendent vers ce but et elles intègrent diverses opérations élémentaires de traitement de l’air humide : mélange, échauffement, refroidissement, humidiﬁcation, déshumidiﬁcation. Ces traitements d’air intéressent également le conditionnement d’air industriel qui vise à préparer l’air à satisfaire aux conditions, généralement assez précises, imposées pour la mise en œuvre correcte d’un processus industriel. Le document qui suit se propose tout d’abord de faire connaître les grandeurs fondamentales de l’air humide et les relations qui les lient. On fera état des diagrammes de l’air humide, ou diagrammes psychrographiques, généralement mis à la disposition des ingénieurs. On étudiera ensuite les principales opérations élémentaires de traitement de l’air, ainsi que le schéma général d’une installation climatique et l’évolution de l’air dans une installation de conditionnement d’air en régimes d’hiver et d’été. Notations et symboles Symbole Unités Définition H kJ/kg Enthalpie M kg/s Débit-masse Q kJ Quantité de chaleur T K Température absolue V m3 Volume W Degré de saturation c kJ/kg · K Capacité thermique massique j Rapport caractéristique de traitement de l’air Latence m kg Masse p Pa Pression En l’absence de désignation et de symboles normalisés, nous avons adopté les désignations et symboles en cours au Comité Scientiﬁque et Technique des Industries du Chauffage et de la Climatisation (COSTIC) : — les grandeurs massiques seront représentées par un * en exposant (m*, V *, H*) bien que la norme recommande ρ, v et h ; — les grandeurs dénommées spécifiques, ce qui exprime ici qu’elles sont rapportées à l’unité de masse d’air sec, seront représentées par un s en exposant (r s, V s,...). kJ/kg Chaleur latente (ou enthalpie de vaporisation) qs kJ/kg Chaleur sensible r J/kg · K Constante des gaz parfaits r s Humidité spécifique s Facteur de chaleur sensible v Vitesse de circulation de l’air θ m/s Température ρsat oC Rendement de saturation ψ Humidité relative Notations et symboles Symbole Unités Définition En l’absence de désignation et de symboles normalisés, nous avons adopté les désignations et symboles en cours au Comité Scientiﬁque et Technique des Industries du Chauffage et de la Climatisation (COSTIC) : — les grandeurs massiques seront représentées par un * en exposant (m*, V *, H*) bien que la norme recommande ρ, v et h ; — les grandeurs dénommées spécifiques, ce qui exprime ici qu’elles sont rapportées à l’unité de masse d’air sec, seront représentées par un s en exposant (r s, V s,...). q kg eau kg air sec - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - __________________________________________________________________________________________________________________________ AIR HUMIDE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 230 − 3 1. Air atmosphérique 1.1 Pression et température en fonction de l’altitude Le tableau 1 donne un exemple de variation de la température, de la pression et de la masse volumique de l’air en fonction de l’altitude. Ces valeurs peuvent varier en fonction de la situation géographi- que de l’endroit, du moment, des conditions atmosphériques, etc. 1.2 Composition de l’atmosphère type L’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) déﬁnit l’air sec type sur les bases suivantes : — l’air est considéré comme un gaz parfait ; — l’humidité est négligée ; — les constantes physiques sont les suivantes : • masse molaire : 28,964 4 kg/ kmol, • pression atmosphérique au niveau de la mer : 101 325 Pa, • température au niveau de la mer : 15 oC, • masse volumique au niveau de la mer : 1,225 kg/m3, • constante universelle des gaz parfaits : 8 314,32 J/K · kmol ; — la composition molaire de l’air est donnée dans le tableau 2. Tout ceci constitue l’air sec. Avec l’altitude z, la pression atmosphérique varie selon la relation : pat = 1,197 45 × 10–8 (288,15 – 0,006 5 z )5,255 88 (en Pa) (1) Dans l’air atmosphérique nous devons, en outre, prendre en compte : — l’humidité qui se présente sous forme de : • vapeur dont la teneur dans l’air est fonction de la saison, de l’heure et du lieu, • phase condensée : liquide (eau en gouttelettes, nuages, brume, brouillard) ou solide (neige, glace, etc.) ; — les impuretés : vapeurs industrielles ou de provenance naturelle, poussières, micro-organismes ; — l’électricité atmosphérique : ions. (0) (0) Tableau 1 – Variation des caractéristiques de l’air en fonction de l’altitude Altitude.................... (km) 0 1 2 3 5 10 15 20 Température ............ (oC) 10 7,5 0 – 5 – 15 – 40 – 56,5 – 56,5 Pression.............(mmHg) 760 715 592 524 403 204 90 41 (Pa) 1,013 25 × 105 9,532 × 104 7,892 6 × 104 6,986 × 104 5,372 9 × 104 2,719 8 × 104 1,199 9 × 104 5,466 × 103 Masse volumique(kg/m3) 1,226 1,165 0,992 0,894 0,711 0,397 0,193 0,088 On rappelle que la pression atmosphérique normale est de 760 mmHg, soit 101 325 Pa. Tableau 2 – Composition molaire de l’air sec type de l’OACI (1) Composants Fraction molaire Masse molaire Azote 0,780 9 28,013 4 Oxygène 0,209 5 31,998 8 Argon 0,009 3 39,948 Dioxyde de carbone 0,000 3 44,009 9 Néon 0,000 018 20,183 Hélium 0,000 005 24 4,002 6 Krypton 0,000 001 0 83,80 Hydrogène 0,000 000 50 2,015 9 Xénon 0,000 000 08 131,30 Ozone 0,000 000 01 47,998 Radon 10– 20 222 (1) OACI : Organisation de l’Aviation Civile Internationale. AIR HUMIDE __________________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 2 230 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique 2. Propriétés et grandeurs de l’air humide Hypothèse simpliﬁcatrice pour uploads/Industriel/ air-humide.pdf