Quelles sont les propriétés de l'air ? Deuxième partie

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, tout 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.

 

Calcul de la densité de l'air

Figure 1: Calcl de la densité de l'air

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

 

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

 

Le facteur environnemental le plus important qui affecte la densité de l'air est la température : une variation 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 500 Pa de la pression 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 %.

 

La carte de Mollier

 

La carte de Mollier a été conçue en 1904 par Richard Mollier à Dresde. Il s'agit d'un diagramme enthalpie-entropie décrivant 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 typique. 

 

Calcul de l’air dans une unité de traitement d’air

La figure trois montre une unité de traitement d’air typique, montrant huit positions par lesquelles l’air doit passer, chacune d’entre elles changeant l’air lors de son trajet de l’air ambiant (position #1) à la condition d’air souhaitée (position #8).

 

Figure 3: Les huits positions d'une unité de traitement d'air typique

Prenons un exemple. Supposons que la condition extérieure (position #1) soit 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 #8) est une température de 22°C, avec une humidité de 40%, un débit d’air de 6m3/s, et une pression disponible de 500Pa pour compenser la chute de pression dans le système de conduits.

 

 

Le premier calcul consiste à déterminer la densité de l’air de la condition extérieure. En utilisant la loi des gaz parfaits illustrée sur 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 resteront les mêmes. La sous-pression aura augmenté pour compenser la perte de charge du filtre (dans ce cas -85Pa).

 

Position #3

Nous arrivons maintenant au serpentin de refroidissement. Dans ce cas, nous voulons l’utiliser pour réduire l’humidité de l’air, qui a besoin 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 la première partie des propriétés de l’air. L’utilisation de la formule de l’enthalpie nous donnera la puissance totale nécessaire, y compris la puissance sensible et latente ; En utilisant la température comme paramètre, nous obtiendrons la puissance sensible par elle-même, 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 100 Pa à travers la bobine, la perte de charge cumulée est maintenant de -185 Pa.

Après être passé dans le serpentin 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 qu’auparavant, il est maintenant de 1,26 kg/m3.

 

Position #4

Une fois l’air déshumidifié, le serpentin de chauffage augmentera la température. Peu importe que vous utilisiez la formule de l’enthalpie ou de la 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) = 73 kW

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

Position #5

Dans ce cas, l’humidificateur n’est pas nécessaire pour atteindre notre objectif de 6m3/s de débit d’air et 40% d’humidité relative.

Deux choses fournissent de l’humidité à l’air. La première est la condensation, en pulvérisant de l’eau sur un « bloc » que l’air est en train de traverser. Cela abaissera la température de l’air, qui doit être compensée dans la CTA par un chauffage si nécessaire.

La deuxième méthode consiste à fournir de la vapeur dans l’air à l’aide de lances dans la CTA. Cela ne changera que l’humidité de l’air et n’a aucun effet sur la température - et donne une très faible perte de charge.

 

Effet combiné des positions #5, #6 et #7

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

La première consiste à utiliser le tableau de Mollier ; tracez une ligne droite entre les deux points d’écoulement d’air, puis mesurez la distance entre ces points sur la droite qui a le même rapport que les deux flux d’air – ce point est la nouvelle condition (point 8(7) de la figure quatre). Vous pouvez ensuite utiliser le tableau pour lire la température et l’humidité.

Alternativement, vous pouvez utiliser la méthode théorique. En supposant que le débit d’air de l’entrée est de 5 m3/s à 20 °C et à 35 % d’humidité, et que le débit d’air de la recirculation est de 1 m3/s à 25 °C et 50 % d’humidité relative, alors en multipliant le rapport entre le 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 flux d’air (donc 5m3/s + 1m3/s = 6m3/s). Vous pouvez lire l’humidité au nouveau point sur le graphique de Mollier.

 

Position #8

Après avoir traversé l’ensemble de l’AHU, nos objectifs ont été atteints. Notez que le ventilateur augmentera la température jusqu’à 1°C, en fonction de la taille et du 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 quatre montre le graphique de Mollier complet de notre exemple, en traçant les huit positions.

 

Figure 4: Graphique de Mollier traçant les changements dans l’air dans l’exemple donné

Recalcul de la densité

La densité de l'air lorsque l'air passe à travers la CTA varie, l'effet le plus significatif se produisant lors du changement de température. À chaque étape, la masse volumique peut être calculée à l’aide de la loi des gaz parfaits illustrée à la figure 1.

 

Lors du test d’une CTA et pour comparer le résultat avec d’autres unités ou les valeurs du catalogue, il est important que vous puissiez recalculer à la densité standard. Les deux propriétés qui seront modifiées lorsqu’elles seront recalculées à la densité standard sont le débit d’air et la pression. Cela signifie que vous avez deux façons de recalculer : laisser le flux d’air constant et changer la pression en multipliant par le rapport de densité vous donnera la nouvelle pression au même flux d’air :

 

AHU: 6m3/s at 505Pa

Alternativement, vous pouvez laisser la pression constante, ce qui vous donne le nouveau flux d’air à la densité standard :