L’air humide

MECA 1855

THERMODYNAMIQUE ET ENERGETIQUE

L’air humide

H. Jeanmart

[email protected]

Année académique 2011-2012

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

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

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

x

2

= 0,210 x

2

= 0,781 ! x

= 0,009

Chaleur massique à pression constante de 0°C à 100°C (p en MPa et t en °C)

c

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

. ° C

Chaleur massique à pression constante de 0°C à 100°C (p=0.1 MPa et t en °C)

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

a v

M x = M

v

'

v

p

= p ϕ

Humidité absolue

Humidité relative

[ kg

kg

] [ ] ⁻

ϕ = 1

x x

Lien nécessaire entre les deux approches

a v

p = p + p

a v v

p = p p − = p − ϕ p ^ʹ′

et ^{a v}

a v

p p

n = 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 p

p n M p p p p

ϕ

ϕ ϕ

= = = = ʹ′

ʹ′ ʹ′

− −

ϕ p ^ʹ′

' ' '

18

28,96(1

) 28,96 10,96

m

p p p

M p p p

ϕ ϕ ϕ

= + − = −

' '

8314,3 287,1

'

28,96 10,96

1 0,378

R p p

p p

ϕ ϕ

= =

− −

Masse molaire du mélange :

Constante du mélange :

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

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 dʼair sec

,

0 ,

,

0 ,

( ) ( )

a p a

v lv p v

l p l

s ls p s

h c t

h h c t

h c t

h h c t

=

= +

=

= − +

Enthalpie de lʼair sec kJ/kgas Enthalpie de lʼeau vapeur kJ/kgv Enthalpie de lʼeau liquide kJ/kgl Enthalpie du solide kJ/kgs

a v v l l s s

h h = + x h + x h + x h

[ kJ kg

]

, 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 kgK

h kJ kgK

c kJ kgK

c kJ kgK

h kJ kgK

c kJ kgK

=

=

=

=

=

=

⇒ Diagramme enthalpique (Mollier)

(

)

⁽

⁾

,

t x h c t x c t x h c t

c

h =

+

+

+

+

−

+

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

Contribution importante de la chaleur dʼévaporation de lʼeau

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 v

h c t x h = + + c t = h x + c t c tx +

Le diagramme de Mollier

Construction des isothermes humides (et de glace)

( )

, ,0 , ,

p a v lv p v p l l

h c t x h = + ʹ′ + c t + c tx

Coexistence liquide et glace

0.05 0.1

0.2

0.3 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 O_I

100°C 2500 3000 3500 kJ/kg

O_II

p=100kPa

Le diagramme de Mollier

Aspect général

Mélange isobare

2 quantités d’air humide

1 1 1 1 2 2 2 2

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

1 2

1 1 2 2

1 1 2 2

m m m m m

M M M

M x M x M x M h M h M h

= +

= +

= +

1 2

1 2

m m

m m

h h h h

x x x x

− −

− = −

Bilan de masse d’air sec:

Bilan de masse d’eau:

Bilan d’enthalpie:

D’où:

Mélange isobare

2 quantités d’air humide

Mélange isobare

Air humide et de l’eau

1

1 1 2

1 1 2 2

m m m m m

M M

M x M x M M h M h M h

=

= +

= +

1 2

1 m

m

h h

x x h

− =

−

Bilan de masse d’air sec:

Bilan de masse d’eau:

Bilan d’enthalpie:

D’où:

Le psychromètre

Principe de fonctionnement

Le psychromètre

Principe de fonctionnement

Le séchage

Principe de fonctionnement

M !

= M !

( x

! x

)

Q ! + M !

h

+ M !

ct

+ M !

c

t

= M !

h

+ M !

ct

3 1

( ) ( )

a s

Q M M h h

h h c t t − q

= − + − = +

Bilan de masse d’eau:

Bilan d’enthalpie:

ou

Le séchage

Principe de fonctionnement

Influence de la pression

Soit de lʼair 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 % 

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

10 20 30 40 50 240

250 260 270 280

Formation de buée, givre et brouillard – exemple

Température d‘une surface (approche fortement simplifiée)

T

( ^{T T} ) εσ h

−

( ^{T T} )

h

−

À l‘équilibre thermique

( h

+ h

) ( ⋅ T

− T ) = εσ T

T

2

1

h

h +

= 273 T

= 283 T

T

8 .

= 0

ε

Le canon à neige – principe de fonctionnement

C t

= 0 °

C t

= 0 °

Conditions atmosphériques Adjonction d‘eau pulvérisée

Conditions favorables:

•  Temps sec

•  Température basse (< 5°C)

•  Altitude (basse pression)

•  Pulvérisation fine

Le canon à neige – conditions limites

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Conditions limites pour la formation de la neige

kPa p = 100

kPa p = 70

ϕ [%]

P [kPa]

T_max [°C]

100 9.5 90 10.5 80 11.9 70 13.6

Réfrigérants – contexte

Refroidissement de l‘eau du condenseur

Condenseur

•  Circuit ouvert

•  Réfrigérant atmosphérique

Tirage naturel Tirage forcé

Tour humide/sèche

Réfrigérants – tour à tirage naturel

Illustration

Réfrigérants – tour à tirage naturel

Flux d‘eau et d‘air

Eq. bilan, débits-masses

•  air sec :

•  eau :

Réfrigérants – tour à tirage naturel

Bilans de l‘installation

cte m 

=

app ev

as

x x m m

m  (

−

) =  = 

(

)

s l e

as

h m c t m h m m c t

m 

+  = 

+  − 

( )

(

)

as

h h m c t t m c t

m 

−

=  − + 

Eq. bilan, puissances

Puissance dissipée :

Q! =Q!_CONV+Q!_EVAP

Q!_CONV=(0.20 ... 0.30) Q! Q!_EVAP=(0.80 ... 0.70) Q!

Réfrigérants – tour à tirage naturel

Les flux de chaleur

(

)

1 1

1

c t x h c t x c t

h =

+

+

+

(

)

2 2

2

c t x h c t x c t

h =

+

+

+

(

)

[

( )

( ) ]

(

)

l

e

c t t m c t t c x t t m h c t c t

m  − = 

−

+

−

+  +

−

(

)

e

c t t Q Q

m  − =  + 

Hypothèses simplificatrices

Données observées (~ 400 MW_él)

Q! =m! _e c_e (t_s!t_e)=428.7 10³ kW Résultats

!

m_e = 8.10³ kg / s (8 m³ / s) t_s = 42.8°C

t_e = 30°C t_a1 =15°C

!₁ = 0.8 , x_a1 = 0.0085 , t_ah1 =13°C t_a2 = 25°C

m! _ev =130 kg / s (0.13 m³ / s)

Réfrigérants – tour à tirage naturel

Exemple

Réfrigérants – tour humide/sèche

Illustration

Réfrigérants – tour humide/sèche

1

2 3

4

1=3

2 4

4

2

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  

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

-  33 tonnes dʼuranium faiblement enrichi -  360 kg de plutonium

-  1.2 tons de produits de fissions -  27 kg dʼactinides mineurs

-  14 kg de neptunium -  12 kg dʼamericium -  1 kg de curium

Combustible encore exploitable

= 96%

Energétique : combustible nucléaire …

Réacteur ADS : MYRRHA

Energétique : combustible nucléaire …