Chap3 traitement de-l_air

BTS FEE 1ère Année Cours de Climatisation LGT Galilée
Chap3: Traitement de l'air 1
TTRRAAIITTEEMMEENNTT DDEE LL''AAIIRR
I. LES DIFFERENTES OPERATIONS DE TRAITEMENT DE L'AIR
I.1. REMARQUE PRELIMINAIRE
Le débit massique d’air sec est la seule grandeur qui reste constante quel que soit le traitement étudié:
chauffage, refroidissement et/ou déshumidification, humidification.
I.2. CHAUFFAGE
I.2.a. Généralités
Il y a augmentation de température par apport de chaleur sensible uniquement (il n’y a ni condensation, ni
évaporation d’humidité : rs = Cte).
Le chauffage se fait par passage de l’air sur une batterie chaude qui peut être :
F un échangeur alimenté par de l’eau chaude,
F une résistance électrique (pour les faibles puissances).
Ö Représentation sur le diagramme psychrométrique:
θ1
θ2
r = constante
• ‚
I.2.b. Calcul de la quantité de chaleur gagnée par l’air au passage sur une
batterie chaude
θ1
θ2
• ‚
h
hs1
hs2

Elle correspond à l’augmentation d’enthalpie de l’air : ∆Hs = Hs
2 - Hs
1 kJ/kgas
Exercice:
θ1
θ2
• ‚
h
hs1
hs2
v1
v2
ϕ1
ϕ2
r = Cte
Déterminer la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg as pour amener sa température à 25°C.
Corrigé:
rs1 = rs2 = 0,0063 [kgvap/ kgas]
ϕ1 = 60 % ϕ2 = 32 %
Hs 1 = 31 kJ/ kgas Hs 2 = 41 kJ/ kgas
Vs 1 = 0,824 m3/ kgas Vs2 = 0,852 m3/ kgas
θr1 = θr2 = 7°C
θh1 = 10,8°C θh2 = 15°C
La puissance P à fournir à cet air humide pour passer de l'état 1 à l'état 2 est par suite:
P= Hs 2 - Hs 1 = 41- 31 = 10 kJ/ kgas
I.2.c. Puissance fournie à l’air par une batterie chaude
C’est le produit du débit massique d’air sec par la variation d’enthalpie spécifique.
{ {P
kJ s
Qmas
kgas s
hs
kJ kgas
kW
/ / /123
123= ⋅ ∆
Exercice 1
Qv = 200m3
/h
θs1 = 15°C
θh1= 10°C
v1 = 0,823m3
/kg as
θs2 = 20°C
1.Donner les caractéristiques de l’air après passage sur la batterie chaude
2. Déterminer la puissance de la batterie

Réponse:
θs2 = 22°C, θh2 = 13,2°C, θr2 = 6°C
ϕ2 = 34 %, v2 = 0,844 m3/kg as, M2 = 0,0055kg/kg
hs2 = 36 kJ/kg
hs1 = 29,2 kJ/kg
Dh = 36-29.2 = 6,8 kJ/kg
Qmas = 200/0,823 = 243kg as/h = 0,0675 kg as/s
P = 0,0675 x 6,8 = 0,459 kJ/s = 0,459 kW
Remarque : Calcul de Qv2
Qv2 = v2 . Qmas = 0,843 x 243 = 205 m 3/h
Attention, c’est la débit massique qui est constant.
Exercice 2
Air Extérieur
Qv = 1000m3/h
θs1
= 15°C
ϕ1
= 80 %
P = 5 kW
Quelle est la température de l’air après la batterie de préchauffage ?
Réponse :
V1 = 0,793 m3/h
Qmas1 = 1000/0,793 = 1261 kg as/h = 0,350 kg as/s
hs1 = 15 kJ/kg as
P = 0,35 (hs2- hs1)
hs2 = (P/0,35) + hs1 = (5/0.35) + 15 = 29,3 kJ/kg as
θs2 ≈ 23,6°C
I.2.d. Technologie, régulation, sécurité
q Batterie à eau chaude
Technologie
La batterie comporte un certain nombre de tubes sur lesquels sont serties ou soudées des ailettes. Les tubes
constituent un certain nombre de circuits qui sont reliés à un distributeur et un collecteur afin de limiter les pertes
de charge.
Remarque: En ce qui concerne l'évolution des températures dans ce type d'échangeur ainsi que son efficacité
(cf. cours de thermique §chap5: échangeurs).

Régulation
La solution la plus utilisée est unerégulation de la puissance fournie par variation de débit(V2V ou V3V
montée en répartition ou décharge inversée) car il s'agit de la solution la moins onéreuse.
On constate néanmoins uneassez grande instabilité de ce type de régulation (notamment pour les batteries de
faible efficacité, inférieure à 10%): pour des débits proches du débit nominal, la puissance émise reste inchangée
alors que pour les faibles débits on a quasiment affaire à dupompage.
Techniquement, il vaut mieux une régulation par modification de la
température d'entrée (montage en mélange); en effet ce procédé qui
implique la mise en place d'une pompe et donc un coût d'exploitation plus
élevé, possède une très bonne progressivité de régulation (linéarité quasi
idéale entre la température d'entrée et la puissance émise)

Protection anti-gel (TAG)
Un thermostat de sécurité anti-gel (TAG) à réarmement manuel est placé après la batterie chaude afin d'éviter un
éclatement du circuit d'eau sous l'effet du gel (en cas de déficience d'alimentation en eau chaude et d'air à
température négative).
Ce thermostat, lorsqu'il détecte une température inférieure à la consigne anti-gel (5°C par exemple):
- force l'ouverture de la vanne de régulation
- arrête les ventilateurs (soufflage, reprise..)
- ferme le volet d'air neuf
- enclenche une alarme
q Batterie électrique
Technologie
La batterie comporte un ensemble d'épingles ailetées contenant des résistances. Pour les petites puissances,
l'alimentation est monophasée. Pour les puissances les plus élevées, l'alimentation est triphasée.

Régulation
• Régulation en cascade ou étagée
Les résistances élémentaires sont associées de façon à constituer des ensembles depuissances différentes.
Les résistances ainsi obtenues alimentées à travers des contacteurs, eux-mêmes commandés par un
commutateur électronique ou électromécanique (cames entraînées par un moteur).
Cette disposition permet une bien meilleure progressivité qu'avec le même nombrede résistances identiques.

• Régulation progressive par variation de puissance
Les résistances sont alimentées par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique (également appelé triac) qui
permet un nombre de commutations pratiquement infini. C'est la durée d'impulsion qui fait varier la puissance de
la résistance. Sur une période, la puissance moyenne est égale à:
Pn
arrêtd'tempsmarchedetemps
marchedetemps
P ×





+
=
A noter que les variateurs de puissance sont des matériels encore coûteux pour les puissances élevées, de sorte
que l'on combine les 2 types de régulation en pilotant le dernier étage avec un variateur de puissance.

Protection contre les surchauffes
Contrairement aux échangeurs, la puissance émise reste constante quel que soit K (coefficient d'échange).*
Si K diminue (suite à un encrassement ou une diminution du débit), alors la température de la résistance va
augmenter.
Aussi, pour éviter une détérioration de la résistance, on met en place les dispositifs de sécurité suivants:
- Thermostat à réarmement manuel en sortie de batterie
- Interrupteur thermique fixé sur la résistance
- Un contrôleur de débit
- Le fonctionnement de la résistance est asservi au fonctionnement du ventilateur
q Batterie à vapeur
La technologie des batteries à vapeur est semblable à celle des batteries à eau chaude; on distingue seulement
une alimentation par le haut afin d'évacuer gravitairement les condensats.
La régulation est réglée au moyen d'une vanne 2 voies en fonction des besoins.
Avantages (par rapport à une batterie à eau chaude):
- Mise en régime plus rapide
- Pas de risque de gel puisqu'il n'y a pas d'eau dans la batterie lorsque celle-ci n'est pas alimentée
(évacuation gravitaire des condensats).

I.3. REFROIDISSEMENT SANS DESHUMIDIFICATION (RS=CTE)
I.3.a. Présentation
La température de surface de la batterie est supérieure à la température de rosée de façonà ce qu’iln’y
ait pas de condensation.
La batterie n’échange avec l’air que dela chaleur sensible. On parle de batterie sèche.
Le refroidissement se fait par passage de l’air sur unebatterie froide qui peut être :
F un échangeur alimenté par de l’eau glacée (glycolée ou non),
F un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe).
2 1
I.3.b. Calcul de la puissance de la batterie froide
{ {P
kJ/s
= Qmas
kgas/s
h123 ⋅ −








∆
kJ kgas/
(> 0)
C’est le produit du débit massique d’air sec par la variation d’enthalpie spécifique.
Exercice
air 1
Qv = 500 m3
/h
θs1 = 35°C
ϕ1 = 30 %
P = 2 kW
air 2
Déterminer les caractéristiques de l’air après passage sur la batterie froide sèche.

Corrigé:
v1 = 0,886 m3/kg as
Qmas1 = (500/0,886) = 564 kg as/h = 0,157 kg as/s
hs1 = 62 kJ/kg as
P = -Qmas1 (hs2 - hs1) d’où hs2 - hs1 = -P/Qmas1
donc hs2 = hs1 - (P/Qmas1) hs2 = 62 - (2/0,157) = 49 kJ/kg as
I.4. REFROIDISSEMENT AVEC DESHUMIDIFICATION
I.4.a. Présentation
La chaleur cédée par le fluide se décompose:
- chaleur sensible (diminution de la température)
- chaleur latente (diminution de l'humidité)
La température de surface de la batterie est inférieure à la température de rosée de sortequ’il se produit
une condensation de la vapeur d'eau.
Le refroidissement se fait généralement par passage de l’air sur une batterie froide humide qui peut être comme
pour une batterie froide sèche:
F un échangeur alimenté par de l’eau glacée (glycolée ou non),
F un échangeur alimenté par du fluide frigorigène (appelée batterie à détente directe).
Il existe d'autres appareils permettant de réaliser le traitement de déshumidification de l'air qui sont les sécheurs,
mais dont l'emploi est souvent spécifique (moins généralisé que les batterie froides). Il en existe plusieurs types:
- Par absorbant liquide (solution à 40% de chlorure de Lithium par exemplepulvérisée sur l'air puis
régénérée); exemple: sécheur "Kathabar".
- Par adsorbant solide (utilisation de matériaux hygroscopiques – très poreux – régénérés par
chauffage).
NB : dans les sécheurs, l’air n’est pas refroidi.
Les caractéristiques de l’air en sortie de BF dépendent de la température du fluide de refroidissement.
- Pour une batterie à détente directe T FPT = Tévap
- Pour une batterie à eau froide TFPT = (Te+Ts) /2
Cette température permet de connaître le point de fin de processus théorique (FPT) qui est indispensable pour le
tracé de cette évolution dans le diagramme de l’AH.
Ce point (FPT) correspond à la couche limite (d'air) au contact de la pellicule d'eau condensée à la surface de la
batterie froide, considérées à la même température que la température moyenne du fluide primaire.
1 2
θs 35 22
θh 17,5 21,5
θr 15 15
ϕ 30 % 63 %
r 0,00105 -
v 0,886 0,851

L'air à la sortie de la batterie est en effet le résultat du mélange entre l'air non-affecté par le traitement et
l'air saturé (FPT).
La proportion de ce mélange dépend de l'efficacité de la batterie
FPTFPT
SS
SS
FPT rr
rr
hh
hh
θθ
θθ
ε
−
−
=
−
−
=
−
−
=
1
21
1
21
1
21
Remarque
On cherche à éviter le colmatage par givrage de la batterie (dans le cas contraire, on met en place un système
de dégivrage) donc la température du fin de processus doit être supérieure à 0°C, ce qui fixe une limite pratique
à la déshumidification de l'ordre de 4 à 5 [g/kgAS].
Aussi, pour obtenir une déshumidification suffisante, on cherche des batteries dont l'efficacité de l'ordre de 80%,
grâce à:
- Une surface d'échange importante
- Une grande épaisseur de batterie (plusieurs rangs)
- Un pas d'ailette faible (<3mm) et une bonne irrigation de la batterie (nombre de circuits élevés).
I.4.b. Calcul de la quantité de chaleur cédée par l’air:
Même calcul que pour une batterie froide sèche mais une partie de l'énergie cédée par l'air provient de sa
chaleur latente (déshumidification).

I.4.c. Technologie
Lorsque l’air a une vitesse supérieure à 3m/s il est indispensable de prévoir un séparateur de gouttelettes.
L’eau condensée est collectée dans un bac puis évacuée au travers d’un siphon, dont la garde d'eau évite
l'introduction d'air "extérieur" dans le circuit aéraulique.
I.4.d. Exercice
On cherche à connaître la puissance et l’efficacité d'une batterie froide. La température avant la batterie est de
25°C la température après la batterie est de 10°C, l'humidité spécifique passe de 11 g/kg air sec à 7.5g/kgairsec.
Le débit d'air est de 3 kg/s.
⇒ L'enthalpie initiale et finale de l'air sont respectivement égale à 53.5 kJ/kgair sec et 29 kJ/kgair sec
⇒ La puissance de la batterie froide est donc de P = m x ∆H = 1.02 x m x ∆T + 2500 x m x ∆rS
P = 3 x (53.5-29) = 73.5 kW
= 1.02 x 3 x (25-10) + 2500 x 3 x (0.011-0.0075) = 72.15 kW
Remarque
Dans ce cas l'humidité spécifique de l'air varie lorsque celui ci passe à travers la batterie froide, d'ou la
puissance totale est équivalente à la puissance sensible + puissance latente.

I.5. HUMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR
I.5.a. Généralités
Elle est réalisée par injection de vapeur produite par un générateur de vapeur (à une température de 100°C sous
une pression de 1 bar).
Dans ces conditions, l’évolution de l’air se fait à température constante (la chaleur sensible apportée est
largement négligeable devant la chaleur latente).
I.5.b. Calcul de la quantité de vapeur injectée
r1
r2
θs1
1
2
Evolution de
l’air
On ne dimensionne pas le générateur en fonction de sa puissance mais en fonction du débit de vapeur à fournir.
{r r Mv
kg vapeur kgas
2 1− =
/
Si on désigne par Mv la masse spécifique de la vapeur injectée par kg as
{ 12 rr=
kgas/kgv
Mv
Qmv : débit massique de vapeur d’eau (kg vapeur/s)
{ {Qmv
kgv s
Mv
kgv kgas
Qmas
kgas s/ / /
= ⋅ 123
I.5.c. Calcul de la quantité de chaleur apportée
∆hs hs hs= −2 1
Exercice 1 : HUMIDIFICATION PAR INJECTION DE VAPEUR

Vapeur
air 1
Qv = 500 m3
/h
θs1 = 25°C
ϕ1 = 20 %
ϕ2 = 50 %
Déterminer le débit de vapeur à injecter.
I.5.d. Technologie
On peut classer les humidificateurs de vapeur en 2 catégories:
- Les humidificateurs qui utilisent la vapeur d'un réseau (production centralisée)
- Les humidificateurs autonomes qui produisent eux-mêmes la vapeur
q Humidificateurs reliés à un réseau de vapeur (grosses puissances)

q Humidificateurs autonomes (de 1 à 80kW soit 1 à 10kg/h)
On distingue 3 types de générateurs de vapeur autonomes selon le procédé de chauffage et de vaporisation
utilisé:
- A résistance (le plus courant)
- A électrodes
- A rayonnement infrarouge
Remarque
Le dispositif de production de vapeur doit être relié à la rampe d'injection en respectant les pentes afin de
permettre l'écoulement des condensats.
Il est également indispensable de préserver une longueur droite et sans obstacle, suffisante après la rampe
d'injection, afin d'éviter tout risque de condensation sur les parois.
I.6. HUMIDIFICATEUR ADIABATIQUE :
I.6.a. Principe
On pulvérise de fine gouttelette d'eau dans l'air à humidifier. Une partie de ces gouttelettes vont s'évaporer en
empruntant de la chaleur à l'air, l'air va se refroidir et son humidité va augmenter.
La chaleur sensible qu'il perd en se refroidissant est compensée par la chaleur latente qu'il gagne en
s'humidifiant, si bien que la quantité de chaleur totale contenue dans l'air ne varie pas. ⇒l'enthalpie ne varie pas
au cours de cette transformation.

L'humidification est représentée par une droite, le sens d'évolution se fait de la droite vers la gauche selon une
isenthalpe.
I.6.b. Technologie
On distingue les laveurs à eau recyclée (LER) des humidificateurs à pulvérisation directe (rotatifs ou à ultrasons).
q Laveurs à eau recyclée (LER)
- A ruissellement
- A pulvérisation

II. COMPOSITION D'UNE CTA
On retrouvera principalement les éléments suivants en fonction du cas étudié:
Eléments Symbole Fonction
Caisson de mélange
Mélanger l'air neuf (AN) et l'air recyclé (AR), les
proportions étant fixées par les registres d'air
eux-mêmes actionnés par un servomoteur
commandé par le régulateur)
Les caractéristiques de l'air obtenu en sortie du
caisson dépendent des caractéristiques des airs
neuf et repris
Filtre
Retenir les particules en suspension dans l'air.
Il ne modifie pas les caractéristiques
thermodynamiques de l'air.
Batterie froide
Refroidir et/ou déshumidifier l'air. La batterie
froide agit sur la température de l'air et sur
l'humidité spécifique (généralement).
La régulation se fait généralement par vanne 3
voie (en fonction du débit)
Batterie chaude
Réchauffer l'air. Seule la température de l'air est
modifiée.
La régulation se fait généralement par vanne 3
voie (en fonction du débit)
Batterie électrique
Réchauffer l'air.
La régulation se fait généralement en cascade
avec éventuellement variation de puissance sur
le dernier étage de puissance.
Humidificateur
Augmenter la quantité d'eau (vapeur) contenue
dans l'air (à traiter). Suivant le type de
technologie (à vapeur ou adiabatique), la
température reste quasiment constante ou
diminue. Dans tous las cas l'humidité spécifique
augmente.
Ventilateur
Distribuer l'air dans les réseaux. Ne modifie
quasiment pas les caractéristiques de l'air
soufflé (léger échauffement ...)
-
+

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