Caractéristiques physiques de l’air humide

L’air humide est un mélange d'air sec et de vapeur d’eau, de gouttelettes, de givre ou de neige. En conditionnement d'air, on considère que l'humidité est constituée essentiellement de vapeur d’eau. [79]

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Le rôle de l’installation de climatisation est le maintien de l’état de l’air dans la salle que l’on veut conditionner.

Un diagramme de l’air humide appelé également « diagramme Psychrométrique » est utilisé pour aider à représenter les différentes transformations de l’air et le calcul des éléments de l’installation de climatisation.

Remarque importante :

Quel que soit le traitement étudié (Chauffage, rafraîchissement et/ou humidification, déshumidification), le débit massique de l’air sec est la seule grandeur qui reste constante.

2.6.1.2.1. Psychromètre

« Le psychromètre est un instrument doté de 2 thermomètres utilisés pour la mesure de la température humide et sèche de l’air. Il représente les caractéristiques physiques et thermodynamiques d’un mélange « gaz-vapeur ». Il permet la mesure de 2 grandeurs fondamentales de l’air humide. » [80]

La méthode psychrométrique de mesure de l’humidité relative est connue depuis très longtemps. Le psychromètre mesure l'humidité relative en fonction du refroidissement par évaporation. L'appareil contient deux sondes de température comme éléments de mesure. Une sonde est placée pour mesurer la température de l’air ambiant, appelée température bulbe sec. Une autre sonde enveloppée d’un tissu humide est placée à proximité du bulbe sec pour mesurer l’effet de refroidissement de l’évaporation. Sa lecture s’appelle la température du bulbe humide. Un ventilateur est utilisé pour la ventilation de l’air ambiant. Le psychromètre est une méthode indirecte de mesure de l’humidité relative. [81]

Actuellement, des instruments numériques permettent la mesure et la détermination rapide de toutes les caractéristiques avec une faible incertitude en ce qui concerne la qualité de la ventilation et d’évaporation de l’eau sur le thermomètre de bulbe humide.

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Figure 6 : Psychromètre [82-83]

Avant d’étudier les caractéristiques du diagramme psychrométrique et ses expressions littérales de calcul, il paraît utile de définir les éléments suivants :

 Pression de vapeur saturante : [76-84-85]

Les phases de l’eau peuvent être définie avec précision par sa pression de vapeur comme tous les liquides.

38 Pour une température sèche donnée :

 Si la pression de vapeur saturante est supérieure à la pression de vapeur de l’eau, on parle de pression partielle de vapeur d’eau. L’état ici est dit monophasique, parce que l’eau est sous forme de vapeur. La vapeur d’eau coexiste avec l’air sec pour former un mélange homogène appelé « l’air humide ».

 Si la pression de vapeur saturante égale à la pression partielle de vapeur de l’eau. L’état ici est dit biphasique, parce que l’eau sous forme liquide coexiste avec la vapeur d’eau et les 2 phases sont en équilibre. Cet équilibre peut être illustré sur une courbe de pression de vapeur saturante qui est fonction de la température.

La courbe est nommée « courbe de pression de vapeur saturante » ou « de saturation » : à une température sèche donnée, le point de coordonnées ne peut définir qu’une seule situation d’équilibre.

 Finalement, si la pression de vapeur saturante est inférieure à la pression de vapeur de l’eau, toute l’eau sera condensée. L’air est dit « sursaturé » et la zone correspondante est nommée « zone de brouillard » ou « de sursaturation ». L’eau s’est avérée être sous forme de liquide ou de glace.

Dans la courbe, on utilise des coordonnées rectangulaires pour exprimer la pression de vapeur saturante (en ordonnée) en fonction de la température sèche (en abscisse).

La pression partielle (Po) de la vapeur d’eau contenue dans l’air est représentée par l’axe vertical. La pression partielle est exprimée en kilopascal ou en millibar [84].

La concentration en vapeur d’eau augmente, tout en suivant une isotherme, jusqu’à ce que l’air arrive à la saturation, cet état de saturation permet de déterminer la pression de saturation (Psat) exprimée sur l’axe des ordonnées [84].

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Figure 7 : diagramme de Pvs en fonction de la température. [79]

(Source : DIMCLIM)

 La zone représentant l’air humide (eau à l’état de vapeur) : pv < pvs.  La zone de brouillard (eau à l’état liquide ou neige) : pv > pvs.

 La limite entre ces deux zones ci-dessus est déterminée par une courbe « incurvée » de saturation (l’eau coexiste à l’état de vapeur et liquide) : pv = pvs.

 Humidité absolue ou teneur en humidité (ou teneur en eau) :

« Il s’agit de la quantité d’eau présente dans l’air à l’état de vapeur voire même à l’état liquide ou de glace par rapport à la masse totale de l’air sec. La lettre « x » est sa désignation la plus couramment utilisée, mais on utilise également la lettre w. Elle est exprimée en gramme d’eau / kilogramme d’air ». [79]

L’humidité absolue contenue dans 1 kg d'air sec est également appelée humidité spécifique, qui dépend directement de la pression atmosphérique et de la pression de vapeur d’eau. [79]

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On peut ajouter, sur la courbe de saturation ci-dessus, un 2ème paramètre au niveau l’axe des ordonnées représentant l’humidité absolue. [76-85]

Cet axe vertical (ordonnée) est situé à droite du graphe, et représente une deuxième grandeur fondamentale qui détermine la teneur en vapeur d’eau dans l’air. [84]

Les lignes horizontales, nommées isohydres, sont des lignes représentant des teneurs constantes en vapeur d’eau.

Figure 8 : diagramme de l’humidité spécifique. [84]

(Source F. Cabeza - Mai 2002)

 Humidité relative (ou degré hygrométrique) :

« L’humidité relative Hr ou degré hygrométrique φ est le rapport entre la pression partielle de vapeur d’eau de l’air humide (à une température) et la pression de vapeur saturante à la même température considérée. » [79]

L’humidité relative de l’air est dite qu’elle est au maximum (100 %), lorsque l’air (situé sur la ligne de saturation), est saturé de vapeur d’eau. L’humidité relative dans cette ligne est constante [84].

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Si la teneur en vapeur d’eau est divisée par 2, l’air se trouvera sur une ligne saturée de moitié, c'est-à-dire à l’humidité relative égale à 50 %.

Un réseau de courbes à différentes valeurs de l’humidité relative constante, peut être tracé sur le graphe.

Remarques :

- La valeur de l’humidité relative est donc comprise entre 0 et 1 (ou 0 et 100%). - Quand l’humidité relative égale 0, dans ce cas l’air est absolument sec.

- Quand l’humidité relative égale 1, dans ce cas l’air est à l’état de saturation.

- Plus la Po de vapeur d’eau est proche de la Pvs, Plus le degré hygrométrique est élevé [76-79-86].

Figure 9 : diagramme de l’humidité relative. [84]

(Source F. Cabeza - Mai 2002)  Température de rosée :

« La température rosée ou point de rosée est obtenu quand la vapeur de l’eau présente dans l’air commence à se liquéfier (condenser) lorsqu’elle entre en contact avec une paroi froide refroidie doucement. Formant par la suite des gouttelettes d’eau » [79].

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Supposons un volume d’air qui serait refroidi, tout en maintenant son humidité spécifique constante. Cet air perdra au fur et à mesure sa capacité à évaporer l’eau. Lorsque tout l’air est saturé, une réduction supplémentaire de la température provoquera une condensation partielle de la vapeur d'eau, et nous savons dans ce cas que nous avons atteint le point de rosée de l’air. Le point de rosée est symbolisé par ηr ou tr [76-85-87].

Autrement dit : Si on part d’un point A du diagramme (de droite à gauche), sur une isohydre, on tombe sur la courbe de saturation en un point nommé température de rosée ou point de rosée, dont la température exprimée sur l’axe des abscisses est la température de rosée de A appelée « tr ».

La « tr » dépend de la T° sèche, de l’humidité absolue donc de la pression partielle de vapeur d’eau [84].

La « tr » d’un environnement, sur le diagramme de l’air humide, correspond à l’intersection entre une droite du niveau du point d’environnement et la courbe de saturation, puis la projection sur l’axe des abscisses.

Figure 10 : Diagramme du point de rosée. [84] (Source : Source F. Cabeza - Mai 2002)

43  Température de bulbe humide :

« Si on se déplace, d’un point A du diagramme, sur une isenthalpe, la température au point de la courbe de saturation représentée sur l’axe des abscisses est généralement appelée

température humide ηh ou th du point initial considéré » [84].

La température humide ou température de bulbe humide est la température exprimée par un psychromètre. Ce dernier servait à mesurer le niveau d’humidité d’une zone, avant l’arrivée des instruments de mesure électroniques.

Sur le diagramme de l’air humide, l’air arrive à la saturation en suivant une isenthalpique. En déterminant la température de saturation et la température normale, on peut conclure le niveau de l’humidité relative de l’air sur le graphe [76-84].

Figure 11 : Diagramme de température de bulbe humide [84]

(Source : Source F. Cabeza - Mai 2002)

 Température de bulbe sec :

La température sèche, située sur l’axe des abscisses, représente une grandeur fondamentale du diagramme de l’air humide. Elle est symbolisée par « ts » et exprimée en °C.

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Les lignes qui sont parallèles à l’axe des ordonnées, nommées « isothermes » sont des lignes où la température sèche est constante [84].

Figure 12 : Diagramme de température de bulbe sec. [84]

(Source : Source F. Cabeza - Mai 2002)

 Enthalpie spécifique :

« L’enthalpie spécifique représente la quantité de chaleur présente dans l’air humide dont la masse d’air sec est de 1 kg. Elle s’exprime en kJ/kg (ou en kcal/kg, autrefois). Autrement dit, c’est la somme des quantités de chaleurs sensible et latente de l’air sec et de la vapeur d’eau rapportée au kilogramme d’air sec » [79- 84].

L’enthalpie présente dans l’air peut aussi être exprimée par le diagramme de l’air humide. L’ensemble de droites obliques axiales à l’échelle des enthalpies forme des lignes à enthalpie constante, nommées « isenthalpes » [84].

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Figure 13 : Diagramme de l’enthalpie spécifique. [84]

(Source : Source F. Cabeza - Mai 2002)  Masse volumique :

« La masse volumique représente la masse d’air sec occupé par 1m³ d’air humide. Les lignes qui sont inclinées légèrement vers la gauche représentent la masse volumique constante,

symbolisée par (ρ) et exprimée en kg/m³ ». [84]

Il suffit de connaître juste 2 grandeurs physiques de l’air humide (considéré pris à une pression atmosphérique donnée) pour préciser son état, tandis que le reste des autres grandeurs peuvent être indiquées à l’aide du diagramme de l’air humide. [84]

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Figure 14 : Diagramme de la masse volumique. [84]

(Source : Source F. Cabeza - Mai 2002)

2.6.1.2.2. Diagramme de l’air humide (ou diagramme psychrométrique) : Les calculs des caractéristiques de l'air humide étant fastidieux et presque toujours répétitifs, un diagramme de l'air humide est ainsi établi pour déterminer graphiquement, toutes les caractéristiques de l’air en connaissant au moins deux d’entre elles.

Ce diagramme ronéotype sous forme d’un graphe les évolutions de l’air au moment d’un traitement. Il a été établi pour une masse d’air sec de 1 kg et une pression atmosphérique généralement égale à la pression atmosphérique normale (101325 Pa), donc pour une altitude de 0 m. Au-delà, il faut rectifier [85-88].

a. Principaux diagrammes psychrométriques : Les diagrammes de l’air humide diffèrent par : [79-86-88] - L’enthalpie spécifique.

- L’humidité absolue. - Le calcul de la Pvs.

47 Et on distingue :

 CARRIER : Coordonnées rectangulaires (α= 90 °).  A.S.H.R.A.E : Coordonnées non rectangulaires (α = 88°).  C.O.S.T.I.C : Coordonnées non rectangulaires (α = 92°).  PORCHER : Coordonnées non rectangulaires (α= 92,5°).  MOLLIER : Coordonnées non rectangulaires (α= 135°).

Les différents types de diagrammes cités ci-dessus sont utilisés selon les concordances de chacun, ils sont comparables et donnent des résultats presque similaires.

b. Exemple de Diagramme de l’air humide :

Figure 15 : Le diagramme psychrométrique. [79]

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Figure 16 : Les différentes zones du confort thermique [89]