Processus psychrométriques

When discussing psychrometric processes, it is crucial to understand the fundamental principles that govern the behavior of air-water vapor mixtures. Psychrometrics involves the study of the thermodynamic properties of moist air, which are essential for various applications such as HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems, meteorology, and industrial processes.

Table of Contents

Key Concepts in Psychrometrics

1. Dry Bulb Temperature (DBT): This is the temperature of air measured by a standard thermometer. It does not account for moisture content and is a primary indicator of thermal conditions.

2. Wet Bulb Temperature (WBT): This measurement is taken using a thermometer covered with a water-soaked cloth over which air flows. It reflects the cooling effect of evaporation and is always lower than or equal to the DBT.

3. Relative Humidity (RH): This is the ratio of the current absolute humidity to the highest possible absolute humidity (which depends on the current air temperature). Expressed as a percentage, RH indicates how saturated the air is with moisture.

4. Dew Point Temperature: The temperature at which air becomes fully saturated with moisture and water begins to condense. This is critical for predicting weather phenomena and managing indoor air quality.

Tableau psychrométrique

A view of psychrometric chart is shown before. It shows the relationship between dry-bulb temperature (the temperature measured by a regular thermometer), wet-bulb temperature (the temperature measured by a thermometer with a wetted bulb), relative humidity (the amount of moisture in the air compared to the maximum amount it can hold at that temperature), and dew point temperature (the temperature at which the air becomes saturated and condensation begins).

The curved lines represent constant relative humidity, while the diagonal lines represent constant wet-bulb temperature.

The following equation represents the heat transfer in a thermodynamic process involving a fluid. Here, 𝑄𝐶​ is the heat added or removed, 𝑚𝑎ma​ is the mass flow rate of the fluid, ℎ1​ and ℎ2​ are the specific enthalpies at the initial and final states, respectively, and 𝐶𝑝,𝑚​ is the specific heat capacity at constant pressure. The term (𝑇2−𝑇1) denotes the temperature change of the fluid from the initial state 𝑇1​ to the final state 𝑇2​. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄𝐶​ is proportional to the mass flow rate and the change in enthalpy or, equivalently, the product of the mass flow rate, specific heat capacity, and temperature change. This relationship is fundamental in thermodynamics for calculating the energy required to change the temperature of a fluid in various heating or cooling processes.

$$Q_C=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a C p m\left(T_2-T_1\right)$$

The different psychrometric processes are shown in following. The chart illustrates the relationship between temperature (t) on the x-axis and humidity ratio (ω) on the y-axis. It is divided into different regions, each representing a specific psychrometric process. The eight main processes shown in the image are:

1. Evaporative Cooling: This process involves cooling the air through the evaporation of water, which decreases the dry-bulb temperature and increases the humidity ratio.
2. Refroidissement judicieux: This process cools the air without changing its moisture content, resulting in a decrease in the dry-bulb temperature.
3. Chauffage judicieux: This process heats the air without altering its moisture content, leading to an increase in the dry-bulb temperature.
4. Heating + Humidity: This process involves heating the air while increasing its moisture content, resulting in an increase in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
5. Cooling + Dehumidification: This process cools the air while reducing its moisture content, leading to a decrease in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
6. Dehumidification: This process removes moisture from the air without changing its dry-bulb temperature.
7. Humidification: This process adds moisture to the air without changing its dry-bulb temperature.
8. Heating + Humidification: This process involves heating the air while reducing moisture, increasing the dry-bulb temperature and reducing the humidity ratio.

Processus psychrométriques

Refroidissement judicieux

Au cours de ce processus, la teneur en humidité de l’air reste constante mais sa température diminue lorsqu’il passe sur un serpentin de refroidissement. Pour maintenir la teneur en humidité constante, la surface du serpentin de refroidissement doit être sèche et sa température de surface doit être supérieure à la température du point de rosée de l'air. Si la batterie de refroidissement est efficace à 100 %, alors la température de sortie de l’air sera égale à la température de la batterie. Cependant, en pratique, la température de l’air de sortie sera supérieure à la température du serpentin de refroidissement.Figure ci-dessousmontre le processus de refroidissement sensible 2-1 sur un graphique psychrométrique. Le taux de rejet de chaleur au cours de ce processus est donné par :

Chauffage judicieux

During Sensible Hating process, the moisture content of air remains constant and its temperature increases as it flows over a heating coil. The heat addition rate during this process is given by:

$$Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a c_{p m}\left(T_2-T_1\right)$$

cpmest la chaleur spécifique humide (≈1,0216kJ/kgair sec) etmunest le débit massique d'air sec (kg/s).

Refroidissement et déshumidification

Lorsque l'air humide est refroidi en dessous de son point de rosée en le mettant en contact avec une surface froide, une partie de la vapeur d'eau présente dans l'air se condense et quitte le flux d'air sous forme liquide, ce qui modifie à la fois le rapport température et humidité de l'air. diminue comme indiqué. Il s’agit du traitement que subit l’air dans un système de climatisation. Le cheminement réel du processus dépend du type de surface froide, de la température de la surface et des conditions d'écoulement, mais pour des raisons de simplicité, la ligne de processus est supposée être une ligne droite, comme indiqué dansGraphique 8.11. Les taux de transfert de chaleur et de masse peuvent être exprimés en termes de conditions initiales et finales en appliquant les équations de conservation de la masse et de conservation de l'énergie comme indiqué ci-dessous :

By applying mass balance for the water: $$m_a \cdot \omega_a=m_a \cdot \omega_2+m_w$$ By applying energy balance: $$m_a \cdot h_a=Q_r+m_w \cdot h_w+m_a \cdot h_2$$ From the above two equations, the load on the cooling coil, $Q_t$ is given by: $$Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)-m_a\left(\omega_1-\omega_2\right) h_w$$

Les deuxndLe terme sur le RHS de l’équation ci-dessus est normalement petit par rapport aux autres termes, il peut donc être négligé. Ainsi,

$$Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)$$

On peut observer que le processus de refroidissement et de déshumidification implique à la fois des processus de transfert de chaleur latente et sensible, d'où les taux de transfert de chaleur total, latent et sensible (Qr,Qje, etQs) peut s’écrire :

$$\mathrm{Q}_{\mathrm{r}}=\mathrm{Q}_1+\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}$$ where $$Q_1=m_a\left(h_1-h_w\right)=m_a \cdot h_{f g}\left(\omega_1-\omega_w\right)$$ and $$Q_s=m_a\left(h_w-h_2\right)=m_a \cdot c_{p m}\left(T_1-T_2\right)$$

Facteur de chaleur sensible (SHF)

Il est défini comme le rapport entre le taux de transfert de chaleur sensible et le taux de transfert de chaleur total (Qt), c'est à dire,

$$\mathrm{SHF}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} / \mathrm{Q}_{\mathrm{t}}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} /\left(\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}+\mathrm{Q}_{\mathrm{l}}\right)$$

À partir de l’équation ci-dessus, nous pouvons observer qu’un SHF de 1,0 correspond à aucun transfert de chaleur latente et qu’un SHF de 0 correspond à aucun transfert de chaleur sensible. Un SHF de 0,75 à 0,80 est assez courant dans les systèmes de climatisation dans un climat sec normal. Une valeur inférieure de SHF, disons 0,6, implique une charge thermique latente élevée, comme celle qui se produit dans un climat humide.

La température, Ts, est la température de surface effective du serpentin de refroidissement et est connue sous le nom de température du point de rosée de l'appareil (ADP). Dans une situation idéale, lorsque tout l’air entre en contact parfait avec la surface du serpentin de refroidissement, la température de sortie de l’air sera la même que l’ADP du serpentin. Cependant, dans le cas réel, la température de sortie de l'air sera toujours supérieure à la température du point de rosée de l'appareil en raison du développement de la couche limite lorsque l'air circule sur la surface du serpentin de refroidissement et également en raison de la variation de température le long des ailettes, etc. , on peut définir unfacteur de contournement (BPF)car il peut être facilement vu que plus le facteur de dérivation sera élevé, plus la différence entre la température de sortie d'air et la température du serpentin de refroidissement sera grande. Lorsque le BPF est de 1,0, tout l'air contourne le serpentin et il n'y aura ni refroidissement ni déshumidification.

$$\mathrm{BPF}=\frac{T_c-T_s}{T_a-T_s} ; \mathrm{CF}(\text { Contact Factor })=1-\mathrm{BPF}$$

Jctempérature de l'air sortant,Junest la température de l’air entrant etJsest la température de la surface du serpentin de refroidissement.

Chauffage et humidification

En hiver, il est essentiel de chauffer et d’humidifier l’air ambiant pour plus de confort. Cela se fait normalement en chauffant d'abord l'air de manière sensible, puis en ajoutant de la vapeur d'eau au flux d'air à travers des buses à vapeur.

Le bilan massique de vapeur d'eau pour le volume de contrôle donne le taux auquel la vapeur doit être ajoutée, c'est-à-diremw:

$$m_w=m_a\left(\omega_2-\omega_1\right)$$

où munest le débit massique d’air sec. Du bilan énergétique :

$$Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)-m_w h_w$$

Qhest la chaleur fournie par le serpentin de chauffage ethwest l'enthalpie de la vapeur. Étant donné que ce processus implique également un transfert simultané de chaleur et de masse, nous pouvons définir un facteur thermique sensible pour le processus d'une manière similaire à celui d'un processus de refroidissement et de déshumidification.

Refroidissement et humidification

Comme son nom l’indique, au cours de ce processus, la température de l’air baisse et son humidité augmente. Ceci peut être réalisé en pulvérisant de l’eau fraîche dans le flux d’air. La température de l'eau doit être inférieure à la température sèche de l'air mais supérieure à sa température de point de rosée pour éviter la condensation (JTPD<J2<J1).

Au cours de ce processus, il y a un transfert de chaleur sensible de l’air à l’eau et un transfert de chaleur latente de l’eau à l’air. Le transfert de chaleur total dépend donc de la température de l’eau. Si la température de l’eau pulvérisée est égale à la température humide de l’air, alors le taux de transfert net sera nul car le transfert de chaleur sensible de l’air à l’eau sera égal au transfert de chaleur latente de l’eau à l’air. Si la température de l’eau est supérieure à WBT, il y aura alors un transfert de chaleur net de l’eau à l’air. Si la température de l’eau est inférieure à WBT, le transfert de chaleur net se fera de l’air vers l’eau. Dans un cas particulier où l'eau de pulvérisation est entièrement recirculée et n'est ni chauffée ni refroidie, le système est parfaitement isolé et l'eau d'appoint est fournie à WBT, puis en régime permanent, l'air subit un processus de saturation adiabatique, au cours duquel son WBT resteconstante. C'est le processus de saturation adiabatique. Le processus de refroidissement et d'humidification est rencontré dans une grande variété d'appareils tels que les refroidisseurs par évaporation, les tours de refroidissement, etc.

Chauffage et déshumidification

Ce processus peut être réalisé en utilisant un matériau hygroscopique, qui absorbe ou adsorbe la vapeur d'eau de l'humidité. Si ce processus est isolé thermiquement, l'enthalpie de l'air reste constante, ce qui entraîne une augmentation de la température de l'air à mesure que sa teneur en humidité diminue. Ce matériau hygroscopique peut être un solide ou un liquide. En général, l'absorption de l'eau par le matériau hygroscopique est une réaction exothermique, par conséquent de la chaleur est libérée au cours de ce processus, qui est transférée à l'air et l'enthalpie de l'air augmente.

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What is the difference between sensible heat and latent heat in psychrometric processes?
Sensible heat refers to the heat energy that is transferred between systems due to a temperature difference, resulting in a change in temperature. Latent heat, on the other hand, is the energy required to change the state of a substance (e.g., from liquid to vapor or vice versa) without a change in temperature. In psychrometric processes, both sensible and latent heat play important roles in determining the conditions of air and its interaction with the environment. Understanding the distinction between these two types of heat is crucial for designing and optimizing HVAC systems.
How does the sensible heat factor (SHF) affect the performance of an HVAC system?

The sensible heat factor (SHF) is a critical parameter in psychrometric processes that determines the proportion of total heat that is sensible heat. A higher SHF indicates that a larger portion of the total heat is sensible heat, which can affect the performance of an HVAC system. For example, a system with a high SHF may require more cooling capacity to maintain a comfortable indoor temperature, while a system with a low SHF may require more dehumidification capacity to control humidity levels. Accurate calculation of SHF is essential for designing and optimizing HVAC systems.

What is the significance of the psychrometric chart in understanding psychrometric processes?

The psychrometric chart is a graphical representation of the relationships between various psychrometric properties, such as temperature, humidity, and enthalpy. It provides a visual tool for understanding the complex interactions between these properties and enables engineers to analyze and design HVAC systems more effectively. By using the psychrometric chart, engineers can determine the state of air, calculate heat transfer rates, and optimize system performance. The chart is an essential tool in the field of HVAC engineering and is widely used in design, analysis, and optimization of HVAC systems.

How do psychrometric processes affect indoor air quality (IAQ) in buildings?

Psychrometric processes play a crucial role in maintaining good indoor air quality (IAQ) in buildings. The temperature, humidity, and air movement patterns in a building can significantly impact IAQ by influencing the growth and spread of pollutants, such as mold and bacteria. For example, high humidity levels can lead to mold growth, while poor air circulation can cause the buildup of pollutants. By controlling psychrometric processes, HVAC systems can help maintain good IAQ by providing a comfortable and healthy indoor environment.

What are some common applications of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes have numerous applications in HVAC systems, including air conditioning, heating, ventilation, and humidification. They are used in various industries, such as commercial buildings, hospitals, laboratories, and industrial processes. For example, psychrometric processes are used in air conditioning systems to cool and dehumidify air, while in heating systems, they are used to warm and humidify air. In ventilation systems, psychrometric processes are used to control the airflow and temperature of the air. Understanding psychrometric processes is essential for designing and optimizing HVAC systems for various applications.

How do psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing?

Psychrometric processes interact with other building systems, such as lighting and plumbing, in complex ways. For example, lighting systems can generate heat, which affects the psychrometric conditions of the air. Similarly, plumbing systems can introduce moisture into the air, which affects the humidity levels. Understanding these interactions is crucial for designing and optimizing building systems that work together efficiently and effectively. By considering the interactions between psychrometric processes and other building systems, engineers can create more sustainable, comfortable, and healthy indoor environments.

What are some common challenges and limitations of psychrometric processes in HVAC systems?

Psychrometric processes in HVAC systems can be challenging to design and optimize due to various factors, such as non-linear relationships between psychrometric properties, complex air flow patterns, and uncertainty in system parameters. Additionally, psychrometric processes can be limited by factors such as equipment capacity, energy efficiency, and maintenance requirements. Understanding these challenges and limitations is essential for designing and optimizing HVAC systems that meet the required performance, efficiency, and sustainability standards.

How can psychrometric processes be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems?

Psychrometric processes can be optimized for energy efficiency and sustainability in HVAC systems by using various strategies, such as optimizing system design, selecting energy-efficient equipment, and implementing control strategies that minimize energy consumption. Additionally, using renewable energy sources, such as solar power, and incorporating energy recovery systems can further improve the sustainability of HVAC systems. By optimizing psychrometric processes, engineers can create more energy-efficient and sustainable HVAC systems that reduce energy consumption and environmental impact.