Les systèmes évaporatifs à dessiccation

Alors que les systèmes précédents produisent de l’eau froide qui est fournie aux systèmes de climatisation, les systèmes évaporatifs à dessiccation produisent directement de l’air conditionné. Un système à dessiccation est une combinaison de techniques de rafraîchissement évaporatif et de déshumidification par dessicant (solide ou liquide). Les systèmes liquides (peu commercialisés et utilisés dans ce cas) utilisent la technologie de l’absorbeur- régénérateur qui injecte le liquide sous forme de gouttelettes directement dans l’air de soufflage. Les technologies solides (plus répandus) utilisent en général la roue à dessiccation (étudiée dans le chapitre suivant). Dans ce qui suit, on présentera les différentes technologies dessicantes utilisées ou en cours de développement.

L’élément de base d’un système à dessiccation est un système de rafraîchissement évaporatif auquel sont ajoutés des composants supplémentaires pour élargir la bande d’utilisation du système selon les différentes conditions climatiques extérieures. On distingue deux systèmes :

Les systèmes à évaporation directe dans lesquels l’air non saturé est en contact direct avec de l’eau (systèmes à pads ou à buses)(BELARBI, 1998). Ainsi, l’eau s’évapore et puise sa chaleur latente dans l’air qui voit sa température sèche décroître et son humidité augmenter tout en conservant une enthalpie quasiment constante (figure 1.3). La température minimale qui peut être atteinte est la température humide de l’air entrant.

Figure 1. 3 : Système à humidification directe avec l’évolution correspondante de l’air sur le diagramme de l’air humide (VAN ZYL et al., 2003).

Les systèmes à humidification indirecte dans lesquels l’air soufflé est séparé de l’air repris qui est refroidi par humidification. Dans ce cas, l’air soufflé est refroidi par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur (échangeur à plaques, à tubes et rotatif) (figure 1.4). Sur le diagramme psychométrique, son évolution se fait à humidité absolue constante.

Figure 1. 4 : Systèmeà humidification indirecte avec l’évolution de l’air sur le diagramme de l’air humide (VAN ZYL et al., 2003).

L’efficacité d’un système évaporatif est le rapport entre la variation réelle de température et la variation théorique maximale que la température sèche peut subir. Dans ce dernier cas, la température de sortie sera égale à la température humide de l’air entrant. L’efficacité d’un système évaporatif direct est de l’ordre de 90% alors que celle d’un système évaporatif indirect varie entre 70% et 80% (CAMARGO et al., 2003).

Figure 1. 5 : Système dessicant pour les régions humides à température modérée avec l’évolution de l’air sur le diagramme de l’air humide (VAN ZYL et al., 2003).

Pour les régions humides, les systèmes d’humidification ont une faible efficacité car la température humide de l’air extérieur est élevée. Pour cela on leur ajoute une roue dessicante pour déshumidifier l’air extérieur (figure 1.5). Dans cette roue l’air est chauffé et déshumidifié, son évolution sur le diagramme de l’air humide est proche d’une ligne isenthalpe. Ainsi, on peut obtenir des températures de soufflage plus basses que précédemment (en déshumidifiant l’air, l’humidité du local diminue et ainsi sa température humide).

Pour les régions tempérées, la température de soufflage du système précédent reste élevée, pour cela on ajoute aussi un humidificateur à la sortie de l’échangeur rotatif du côté du soufflage pour régler le taux d’humidité du local et obtenir des températures de soufflage assez basses (figure 1.6). Ce cycle est appelé cycle de Pennington ( PENNINGTON, 1955) ou cycle à ventilation. Il fonctionne en tout air neuf et comme c’est le plus couramment utilisé, il sera présenté au cours de nos travaux.

Figure 1. 6 : Cycle de Pennington avec l’évolutioncorrespondante de l’air sur le diagramme psychométrique (VAN ZYL et al, 2003).

Certains industriels utilisent actuellement un échangeur à courant croisé au lieu de l’échangeur rotatif (figure 1.7). L’évolution dans le diagramme psychométrique reste la même (l’échangeur à courant croisé nécessite plus d’espace).

Figure 1. 7: Cycle de Pennington avec échangeur à courants croisés au lieu de l’échangeur rotatif (VAN ZYL et al., 2003).

Une amélioration de ce cycle pour qu’il s’adapte aux régions à haute humidité comme les régions méditerranéennes est montrée dans la figure 1.8 (HENNING et al., 2004). Dans cette figure, le système est le même que le précédent sauf qu’il y un échangeur d’enthalpie de plus

à l’entrée de l’air extérieur. C’est un échangeur de chaleur rotatif contenant un matériau dessicant (la différence avec la roue à dessiccation est la vitesse de rotation, N=10trs/min pour un échangeur d’enthalpie et de 20trs/hr pour une roue à dessiccation). Ainsi, l’air extérieur entrant dans l’échangeur est refroidi et déshumidifié avant d’entrer dans la roue à dessiccation.

Figure 1. 8: Schéma du cycle dessicant adapté aux régions à humidité absolue élevée. L’air extérieur à l’entrée de l’échangeur a une humidité absolue de 18g/kg et une température de 35°C. A la sortie de l’échangeur son humidité est réduite à 14g/kg et sa température à 30°C

(HENNING et al., 2004).

Figure 1. 9 : Schéma du cycle dessicant à refroidissement à eau pour les régions à humidité absolue très élevée. L’air extérieur a une humidité absolue de 25 g/kg et une température de 35°C. A la sortie de l’échangeur son humidité est réduite à 18g/kg et sa température à 24°C

(HENNING et al., 2004).

Une autre configuration est montrée dans la figure 1.9, pour les régions à très haute humidité absolue (HENNING et al., 2004). Dans ce cas, l’air extérieur est refroidi et pré-déshumidifié dans un échangeur contenant un serpentin à eau froide avant son entrée dans la roue dessicante. Comme l’air est assez humide, de l’eau froide à température élevée peut être utilisée pour refroidir l’air au-dessous de sa température de rosée (eau d’une rivière par exemple). A la sortie de la roue, l’air est aussi refroidi par un serpentin à eau froide. Un pareil système a été récemment construit à Palerme (en Italie) avec une usine de cogénération qui lui fournit la chaleur pour la régénération.

D’autres améliorations au cycle de Pennington sont en cours de développement. Elles consistent à utiliser un échangeur à courants croisés avec surface de retour humide (figure

1.10). Ainsi le système est moins encombrant et l’air de retour est humidifié tout en étant chauffé (processus plutôt isotherme et non adiabatique).

Figure 1. 10 : Cycle de Pennington avec échangeur à courants croisés à surface mouillée du côté de l’air de retour (VAN ZYL et al., 2003).

MACLAINE-CROSS et al. (1981) ont proposé de remplacer les humidificateurs par un échangeur à surface mouillée dans lequel une fraction de l’air de soufflage est retournée avec l’air de retour (figure 1.11). Théoriquement l’air à la sortie d’un tel échangeur pourra atteindre la température de rosée. Le taux de recirculation d’air dans la section de retour est de 50%.

Figure 1. 11 : Principe de base pour le cycle de MAISOTSENKO.

En se basant sur ce principe, Maisotsenko a développé un échangeur à surface mouillée à courants croisés (MAISOTSENKO). Cet échangeur a été testé expérimentalement et des efficacités de l’ordre de 110 à 120% en température humide ont été obtenues et de 55 à 85% en température de rosée. Les développements récents dans le cycle de Pennington consistent à remplacer l’ensemble échangeur-humidifcateur par un échangeur à surface de retour mouillée comme dans la figure 1.12 (Cycle de Van Zyl 1) (VAN ZYL et al., 2003), l’air de retour étant refroidi sensiblement par l’eau collectée dans l’échangeur à surface mouillée (entre 4 et 5).

Figure 1. 12: Cycle de VanZyl 1 avec l’évolution correspondante de l’air dans le diagramme psychométrique (VAN ZYL et al., 2003).

En comparaison avec le cycle de Pennington classique, ce cycle permet d’obtenir les mêmes conditions de soufflage avec une température de régénération plus basse (donc un coefficient de performance plus élevé, presque le double). De plus, l’absence de l’humidificateur de l’air de soufflage évite les problèmes bactériologiques dus à l’humidification directe de l’air (maladie de Légionellose).

Température

Figure 1. 13 : Cycle de recirculation avec l’évolution de l’air dans le diagramme humide.

H u m id it é a b so lu e

Tous les cycles cités précédents, utilisent de l’air neuf à 100%. D’autres cycles ont été développés en utilisant à 100% de l’air recyclé comme le cycle à recirculation et le cycle de Dunkle (DUNKLE,1965).

Le cycle de recirculation utilise les mêmes composants que le cycle de ventilation (ou cycle de Pennington) sauf que l’air soufflé dans le local est celui de retour alors que l’air extérieur est utilisé pour la régénération de la roue dessicante (figure 1.13). La température minimale qui peut être obtenue à la sortie de l’échangeur rotatif dans ce cas est la température humide extérieure au lieu de la température humide du local dans le cycle précédent.

Quant au cycle de Dunkle, il consiste à ajouter un troisième échangeur rotatif pour améliorer la performance du système (figure 1.14). C’est un compromis entre les deux systèmes précédents (ventilation et recirculation) puisque dans ce cas la température minimale à la sortie du deuxième échangeur rotatif est la température humide du local.

Température

Figure 1. 14 : Cycle de Dunkle avec l’évolution correspondante de l’air dans le diagramme de l’air humide. H u m id it é a b so lu e

1.4 ETAT DE L’ART DANS LE DOMAINE DE LA DESSICCATION APPLIQUEE AU