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.

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, 𝑄_𝐶​ 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 𝐶_𝑝,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 𝑇_2​. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄_𝐶​ 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:

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

oùc_pmest la chaleur spécifique humide (≈1,0216kJ/kgair sec) etm_unest 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 deux^ndLe 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 (Q_r,Q_je, etQ_s) 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 (Q_t), 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.

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

OùJ_ctempérature de l'air sortant,J_unest la température de l’air entrant etJ_sest 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-direm_w:

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

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

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

oùQ_hest la chaleur fournie par le serpentin de chauffage eth_west 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 (J_TPD<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.