Principe de régulation détermination des grandeurs et méthodes de calcul

APPAREIL DE MESURES DES GRANDEURS A REGLER 

Avant d’entamer les procédés de régulation, il est essentiel de connaitre la plage des grandeurs à régler. Pour ce faire, quelques appareils et dispositifs sont nécessaires tels que les hygromètres ou les psychromètres.

LES HYGROMETRES

Ce sont des dispositifs ou appareils mesurant ou indiquant la teneur en eau de l’air ambiant ou d’un échantillon de gaz. On peut distinguer plusieurs types de ces dispositifs dont voici quelques uns :

Hygromètre à cheveux 

L’élément sensible pour ce type d’hygromètre est une fibre organique (souvent un simple cheveu, d’où le nom d’hygromètre à cheveu). La fibre tend à s’allonger par absorption d’humidité. Une aiguille est actionnée au fur et à mesure que la fibre se modifie en longueur.
Cette aiguille, donne sur un cadran bien équilibré, une lecture en pourcentage [%] de l’humidité relative. Ce type d’hygromètre ne donne qu’une indication approximative sur l’état hygrométrique de l’air ambiant dans une enceinte quelconque. De ce fait, il n’est pas vraiment recommandé pour des déterminations quantitatives précises.
Caractéristiques de l’hygromètre à cheveu :
− Plage d’humidité : 20 -100% HR
− Précision : ± 5% de la température d’étalonnage
− Constante de temps à -20[°C] 3 fois de celle à 40[°C]

Hygromètre à résistance 

L’élément sensible est constitué d’un capteur hygroscopique ayant des propriétés électriques (résistance et permittivité). La valeur de la résistance varie avec la concentration en eau et la température de l’air ambiant ou d’un échantillon de gaz. La valeur de l’humidité relative est donnée en mesurant la valeur de cette résistance.
La valeur de l’humidité est inversement proportionnelle à celle de la résistance. En effet, si la résistance mesurée est petite, l’humidité relative est grande c’est-à-dire que l’air st plus humide. Par contre, si la résistance mesurée est grande, l’humidité est petite, donc l’air est plus sec.

Hygromètre à condensation ou hygromètre à point de rosée 

Ce type d’hygromètre mesure l’humidité de l’air au moyen du point de rosée. On place dans une fine boite en métal, soigneusement polie, une petite quantité d’éther. On envoie un courant d’air dans la boite. Cela accélère l’évaporation de l’éther et abaisse par la suite la température. Au fur et à mesure que l’air passe à travers la boite, la température baisse d’avantage, jusqu’à la température du point de rosée. A cet instant de la vapeur d’eau secondense à la paroi de la boite. On relève cette température à l’aide d’un thermomètre. Unetable fournie avec l’appareil donne l’humidité relative en fonction .de la température atmosphérique et celle de la température du point de rosée.

ANALYSE DES OPERATIONS ELEMENTAIRES DE TRAITEMENT DE L’AIR 

Une fois les grandeurs à réguler connues ou mesurées, on peut déterminer les opérations élémentaires de traitements de l’air à effectuer compte tenu des conditions désirées. En effet que l’air soit sec, humide, froide ou chaude, on peut l’humidifier, le déshumidifier, le chauffer ou le refroidir.

CHAUFFAGE DE L’AIR 

Le chauffage de l’air peut se faire de deux manières différentes : Soit par apport de chaleur sensible à l’air par le biais d’une batterie de chauffe
« sèche » qui pourrait être :
− Un condenseur à air
− Une batterie de résistance
− Un faisceau de chauffe alimenté en eau chaude
Soit par mélange de l’air initial avec un autre air humide dont la température est plus élevée que celle de l’air initial.

Chauffage par une batterie de chauffe 

On installe une batterie de chauffe dans l’enceinte dont l’air est à conditionner
Remarque : dans toute la suite on notera :
− Caractéristique de l’air de l’enceinte : T1, w1, h1
− Caractéristique de l’air à maintenir : T2, w2, h2
L’échauffement se fera sans aucun apport de vapeur humide.

REFROIDISSEMENT DE L’AIR 

On utilise un refroidissement direct c’est-à-dire que la batterie froide est installée directement dans le local à refroidir
Dans ce processus deux cas peuvent se présenter :

Température de la batterie froide supérieure à la température de rosée Tr de l’air 1

Si on note T3 la température de la batterie froide telle que T3 > Tr . La différence de tension partielle de vapeur entre 1 et 3 est positive : la batterie est sèche et reste ainsi. Le refroidissement a donc lieu sans condensation de vapeur jusqu’à 2.

HUMIDIFICATION DE L’AIR 

D’une façon générale, l’air est humidifié au moyen d’un pulvérisateur, réduisant l’eau en fine gouttelette afin d’offrir une grande surface avec le flux d’air à humidifier.
En particulier, on peut humidifier l’air par lavage ou par atomisation.

Humidification par lavage 

On fait passer l’air dans une cabine où il existe une pluie fine et intense d’eau. Le contact entre l’air et la surface des gouttelettes, humidifie l’air d’une façon adiabatique.
L’humidité de l’air à la sortie peut atteindre 90%

Remarques pour les calculs 

Débit d’eau : 0,5 [l d’eau / Kg d’air sec] s’il y a échange thermique 0,25 [l d’eau / Kg d’air sec] s’il n’y a pas d’échange thermique
Temps de contact : 1 [s]
Débit du pulvérisateur : 150 à 800 [l/h]
Pression ≃ 1,5 [bar]
Source : Technique de l’ingénieur – Chauffage –Froid- B2 p232

Humidification par atomisation 

Il s’agit d’une simple pulvérisation mécanique de l’eau : les très fines particules sont entrainés par l’air et finissent par s’évaporer surtout au passage d’un ventilateur placé en aval.
L’humidité de l’air à la sortie est inférieure à 80 %. Dans les deux cas, l’évolution de l’air se fait suivant une droite dont la pente est fonction de la température de l’eau pulvérisée.

DESHUMIDIFICATION 

Ce traitement consiste à une simple réduction de l’humidité absolue de l’air et peut se faire soit par refroidissement soit par absorption.

Déshumidification par refroidissement 

D’après ce qu’on a vu dans le cas de refroidissement, on peut et refroidir et déshumidifier en même temps.
Pour déshumidifier on cherche à diminuer la température de la batterie froide en dessous de la température de rosée de l’air.
L’air, en passant sur la batterie froide, perd de son humidité qui va se transformer en givre par condensation. Cet air se trouve ainsi déshumidifié.

Déshumidification par absorption 

Elle est entièrement adiabatique. Le traitement consiste à transformer la chaleur latente en chaleur sensible en utilisant des produits, qui sont :
− Soit en solution : halogénure de lithium
− Soit en granulés poreuses : alumine, silice, charbon active
Ces produits absorbent de l’eau quand l’air est froid.

METHODE DE CALCUL

Le plan de la méthode de calcul se résume comme suit :
∗ Détermination des données contraintes : ces données sont fonction des applications à effectuer dans l’enceinte.
∗ Prise en considération des données existantes : les dites données existantes sont les données météorologiques. Elles diffèrent d’une région à une autre aussi avant des les utiliser il faut connaitre le lieu où on exercera le projet
∗ Caractéristiques de l’enceinte : ces caractéristiques regroupent les dimensions, les constitutions des divers parois (sol toiture, mur…), des isolations…
∗ Calculs des charges thermiques ou bilan thermique.
∗ Détermination des traitements à effectuer : Pour ce qui est de choisir entre un chauffage et un refroidissement il suffit de comparer les données consignes et les données existantes. Quant au choix de déshumidifier ou humidifier, un calcul est nécessaire avant de faire cette comparaison.
∗ Calculs
Chauffage :
− Quantité de chaleur à fournir
− Caractéristique de la batterie de chauffage : puissance
Refroidissement :
− Charges thermiques intermédiaires
− Caractéristique de la batterie froide : puissance
Détermination des grandeurs et méthodes de calcul
Humidification ou déshumidification :
− Humidité à ajouter ou à enlever
− Masse et volume d’eau à ajouter ou à enlever

Caractéristiques de la batterie de chauffe 

Dans notre cas on opte pour le chauffage électrique. On utilisera alors une batterie de résistance. Les résistances choisies seront montées en série intercalées de sélectionneurs dont le rôle est de sélectionner les résistances à faire marcher selon la puissance nécessaire

Principe de régulation

Détermination des grandeurs et méthodes de calcul

Le choix de la résistance dépendra du type de convection (naturelle ou forcée), du niveau de température de fonctionnement, de la puissance et de la place dont on dispose. Constitué à la base d’un élément blindé, ils peuvent être équipés d’ailette ou non, formés en épingle multiple et pourvus de raccords de fixations.
L’allure est le même pour l’évolution de l’enthalpie ainsi que la teneur en humidité.
Selon que la température extérieure soit inférieure ou supérieure à celle de la température de consigne, on pourrait avoir à faire à un chauffage ou à un refroidissement.
Les calculs sont faits dans les deux conditions météorologiques c’est-à-dire en hiver et en été, ceci dans le but mieux sélectionner les éléments de régulation.
Remarque : les résultats de tous calculs sont donnés dans l’annexe. On ne verra dans cette partie que les courbes illustrant ces résultats ainsi que les remarques et commentaires.