Quelles sont les propriétés de l'air ? Deuxième partie

Lorsqu'il s'agit de mouvement d'air, il est essentiel de comprendre les propriétés de l'air. Dans cette série d'articles, nous examinons comment différents paramètres affectent la densité de l'air, et comment les changements de densité de l'air ont lieu dans une centrale de traitement d'air (CTA).


La densité de l'air

La densité de l'air est une valeur utile pour mesurer le volume d'air. Elle est définie comme la masse par unité de volume d'air, et sa valeur est affectée par un certain nombre de facteurs, notamment l'altitude (la densité de l'air diminue avec l'augmentation de l'altitude, comme la pression atmosphérique), et les variations de température et d'humidité.

L'équation permettant de calculer la densité de l'air est présentée à la figure 1.


Calculer la masse volumique de l'air

Figure 1: Calcul de la masse volumique de l'air

Au niveau de la mer, à une température de 20°C, à l'atmosphère standard internationale (ISA), l'air a une densité d'environ 1,2 kg/m3.

Comme nous l'avons vu dans les Propriétés de l'air, première partie, l'humidité relative est le rapport entre l'eau maximale que l'air peut contenir (100 %) et la teneur en eau réelle à la température actuelle. Elle peut également être exprimée comme le rapport (en pour cent) entre la pression partielle de vapeur de l'air et la pression partielle de vapeur saturante à la température réelle du bulbe sec, ou par la masse réelle de la vapeur et de l'air.

Le principal facteur environnemental qui affecte la densité de l'air est la température : un changement de seulement 6°C (de 20°C à 26°C) modifie la densité de 1,7%. La pression a un impact plus faible, mais néanmoins tangible : une variation de pression de 500Pa modifie la densité de 0,49%. L'effet des variations d'humidité est presque négligeable : une variation importante de 25% de l'humidité ne modifie la densité de l'air que de 0,37%.

Le diagramme de Mollier

Le diagramme de Mollier a été conçu en 1904 par Richard Mollier à Dresde. Il s'agit d'un diagramme enthalpie-entropie qui décrit l'enthalpie d'un système thermodynamique.

Le diagramme de Mollier est utilisé pour concevoir des processus de climatisation et pour calculer, entre autres, le changement de température et d'humidité, ainsi que l'énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir l'air. Dans le logiciel de sélection de produits ACON de FläktGroup, un diagramme de Mollier avec le processus spécifique de la centrale de traitement d'air peut être tracé automatiquement.

La figure 2 montre un diagramme de Mollier type.

Figure 2: Un diagramme de Mollier type

Calcul de l'air dans une centrale de traitement d'air

La figure 3 montre une centrale de traitement d'air typique, avec huit positions par lesquelles l'air doit passer, chacune d'entre elles modifiant l'air au cours de son trajet, de l'air ambiant (position n° 1) à la condition d'air souhaitée (position n° 8).


Figure 3: Les huit positions d'une centrale de traitement d'air typique

Prenons un exemple. Supposons que les conditions extérieures (position #1) soient une température de 27°C avec 65% d'humidité relative. Nous sommes au niveau de la mer, avec une pression atmosphérique de 1013 mbar - une journée d'été typique. La condition d'air soufflé demandée (position n°8) est une température de 22°C, avec une humidité de 40%, un débit d'air de 21 600 m³/h, et une pression disponible de 500Pa pour compenser la perte de charge dans le système de gaines.

Le premier calcul consiste à déterminer la densité de l'air dans les conditions extérieures. En utilisant la loi des gaz parfaits illustrée à la figure 1, le calcul ressemble à ceci :




Position #2

Une fois que l'air a passé le filtre, la température, la densité et l'humidité restent les mêmes. La sous-pression aura augmenté pour compenser la perte de charge du filtre (dans ce cas -85Pa).

Position #3

Nous arrivons maintenant à la batterie de refroidissement. Dans ce cas, nous voulons l'utiliser pour réduire l'humidité de l'air, ce qui nécessite que la température soit abaissée en dessous du point de saturation. Le calcul de la puissance de refroidissement à ce stade utilise les formules décrites dans les Propriétés de l'air, première partie. L'utilisation de la formule de l'enthalpie nous donnera la puissance totale nécessaire, y compris la puissance sensible et latente ; l'utilisation de la température comme paramètre nous donnera la puissance sensible seule, comme suit :


Ptot = 5 x 1.2 x 1.01 x (64-20) = 266kW
Psens = 5 x 1.2 x 1.01 x (27-8) = 115kW


Avec une chute de pression de 100Pa à travers le serpentin, la chute de pression cumulée est maintenant de -185Pa.

Après avoir traversé la batterie de refroidissement, la température est de 8°C et l'humidité de 100% (car le point de saturation a été dépassé). Cela signifie que la densité de l'air est plus élevée ; en utilisant le même calcul que précédemment, elle est maintenant de 1,26 kg/m³

Position #4

Une fois que l'air a été déshumidifié, le serpentin chauffant va augmenter la température. Peu importe que vous utilisiez la formule d'enthalpie ou de température pour calculer la puissance, car sans changement d'état (et donc sans puissance latente requise), le résultat sera le même :

Ptot = 5 x 1.2 x 1.01 x (20-8) = 73kW

Avec une chute de pression supplémentaire de 50Pa dans le serpentin de chauffage, la chute de pression cumulée est maintenant de -235Pa. La densité est maintenant de 1,217kg/m³

Position #5

Dans ce cas, l'humidificateur n'est pas nécessaire pour atteindre notre objectif de 21 600 m3/h de débit d'air et 40% d'humidité relative.

Deux choses apportent de l'humidité à l'air. La première est la condensation, par la pulvérisation d'eau sur un " bloc " que l'air traverse. Cela abaisse la température de l'air, qui doit être compensée dans la CTA par un chauffage si nécessaire.

La deuxième méthode consiste à envoyer de la vapeur dans l'air à l'aide de lances dans la CTA. Cela ne modifie que l'humidité de l'air et n'a pas d'effet sur la température - et donne une très faible perte de charge.

Effets combinés des positions #5, #6 et #7

Dans notre exemple, deux flux d'air sont mélangés, provenant de l'entrée (position #5) et de la recirculation (position #6). Pour calculer l'état de cet air mélangé, il existe deux méthodes.

La première consiste à utiliser le diagramme de Mollier ; dessinez une ligne droite entre les deux points du flux d'air, puis mesurez la distance entre ces points sur la ligne qui a le même rapport que les deux flux d'air - ce point est la nouvelle condition (point 8 (7) de la figure 4). Vous pouvez ensuite utiliser le graphique pour lire la température et l'humidité.

Vous pouvez également utiliser la méthode théorique. En supposant que le flux d'air provenant de l'entrée est de 18 000m³/h à 20°C et une humidité de 35%, et que le flux d'air provenant de la recirculation est de 3 600 m³/h à 25°C et une humidité relative de 50%, en multipliant le rapport entre les flux d'air par la différence de température, puis en ajoutant à la température inférieure de 20°C, vous obtiendrez la nouvelle température :

(1/6 x (25-20)) + 20 = 21°C

Le débit d'air total est une simple addition des deux débits d'air (donc 18 000m³/h + 3 600m³/h = 21 600 m³/h). Vous pouvez lire l'humidité au nouveau point sur le diagramme de Mollier.

Position #8

Après avoir traversé l'ensemble de la CTA, notre objectif est atteint. Notez que le ventilateur augmente la température jusqu'à 1°C, selon la taille et le fonctionnement du moteur. Dans ce cas, nous avons supposé qu'il augmente la température de l'air de 1°C, ce qui nous donne la température souhaitée de 22°C.


La figure 4 montre le diagramme de Mollier complet pour notre exemple, avec les huit positions.

Figure 4: graphique de Mollier représentant les changements dans l'air dans l'exemple donné

Nouveau calcul de la densité

La densité de l'air varie au fur et à mesure que l'air traverse la CTA, l'effet le plus significatif se produisant lors du changement de température. À chaque étape, la densité peut être calculée à l'aide de la loi des gaz parfaits illustrée à la figure 1.

Lorsque vous testez une CTA, et pour comparer le résultat avec d'autres unités ou avec les valeurs du catalogue, il est important que vous puissiez recalculer à la densité standard. Les deux propriétés qui seront modifiées lors du recalcul de la densité standard sont le débit d'air et la pression. Cela signifie que vous avez deux façons de recalculer : en laissant le débit d'air constant et en modifiant la pression en la multipliant par le rapport de densité, vous obtiendrez la nouvelle pression pour le même débit d'air :



CTA : 21 600 m3/h à 505Pa


Vous pouvez également laisser la pression constante, ce qui vous donne le nouveau débit d'air à la densité standard :



CTA : 6.021 600 m3/h à 500Pa

Vous avez manqué la première partie ?

Lisez la ici : Quelles sont les propriétés de l'air ? Première partie