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Posted By : 25 Sep, 2007

Prédimensionnement d’un humidificateur

Calcul du débit d’humidification

Préalable.

En climatisation, il est d’usage de travailler avec les débits massiques q_m (en kg/s), parce que les débits volumiques q_v (en m^³/s) sont variables avec la température (l’air se dilatant avec la montée en température).

Simplifications :

Les approximations ci-dessous simplifient les calculs, sans entraîner d’erreur supérieure à 5 % du résultat :

la capacité thermique massique est supposée constante,
dans une humidification à eau froide, l’air subit une évolution isenthalpique,
dans une humidification à vapeur, l’air garde une température constante,
l’air extérieur le plus critique est estimé avec une humidité absolue de 1 gr_eau/kg_{air sec} (c’est le cas d’un air de – 10°C et 60 % H.R., sur base du diagramme de l’air humide).

Formules de base

Dès lors, les débits d’eau d’humidification sont donnés par :

q_ma= q_vax ρ

q_me= q_max (x₂ – x₁)

où :

qma est le débit massique de l’air (en kgair sec/s)
qva est le débit volumique de l’air (en m³/s)
qme est le débit massique de l’eau (en kgeau/s)
ρ est la masse volumique de l’air (en première approximation : 1,2 kg/m³)
x1 est l’humidité absolue de l’air avant humidification (en greau/kgair sec)
x2 est l’humidité absolue de l’air après humidification (en greau/kgair sec)

Exemple : application à un humidificateur à vapeur

Soit un bureau paysager de 170 m² (sous 2,8 m de plafond, soit un volume total de 480 m³). L’ambiance doit être maintenue à 22°C et 50 % H.R.

Quel doit être le débit de vapeur ? Quelle sera la puissance de l’appareil ?

Le débit d’air à assurer (voir Réglementation Wallonne en ventilation) est de 2,5 m^³/h.m^² de plancher, soit un débit total de 2,5 x 170 = 425 m³/h.

Le débit massique correspondant :

q_ma= 425 x 1,2 = 510 kg/h

Le débit de vapeur est donné par :

x₁= 1 gr/kg (air ext. – 10°C 60 % HR)

x₂= 8,3 gr/kg (air int. 22°C 50 % HR) (voir diagramme de l’air humide)

q_me= 510 x (0,0083 – 0,001) = 3,72 kg_eau/h.

La puissance électrique maximale est donnée par le produit entre le débit d’eau vaporisé dans les conditions extrêmes et la chaleur de vaporisation de l’eau (2 676 kJ/kg) :

P = q_mex 2 676 = 3,72 kg/h x 2 676 kJ/kg x 1/3 600 s/h = 2,8 kW

On sélectionnera par exemple un humidificateur de 4 kg/h, de puissance de 3 kW environ, régulé par un hygrostat d’ambiance.

Il sera utile de prévoir également une arrivée d’eau froide avec robinet d’arrêt, une évacuation au moyen d’un entonnoir avec siphon, une prise de courant de 220 V pour le régulateur et une ligne 380 V pour l’humidificateur.

Exemple : application à un laveur d’air

Il s’agit de dimensionner le caisson « laveur d’air » d’une centrale de climatisation. L’installation fonctionne en tout air neuf.

Les consignes de l’ambiance A sont fixée à 22°C et 50 % HR (x = 8,3 gr_eau/kg_{air sec}).

L’installation est dimensionnée pour un air extérieur extrême E de – 10°C et 60 % HR (x_E= 1 g/kg).

Dans ces conditions extrêmes, le débit volumique soufflé S est de 10 000 m^³/h à 32°C. Si les apports d’eau interne sont considérés comme nuls, l’humidité absolue de l’air pulsé sera également de 8,3 gr_eau/kg_{air sec}.

L’installation comprend une batterie de préchauffe, un laveur d’air et une batterie de postchauffe.

On sélectionne un laveur d’air dont le rendement d’humidification est de 85 %.

Le tracé complet du traitement de l’air peut être dessiné dans le diagramme de l’air humide.

Puisque l’humidification est adiabatique dans un laveur d’air, le point de sortie de l’humidificateur Y est situé sur l’isenthalpe passant par le point X à l’entrée de l’humidificateur.

Le débit massique d’air est donné par :

q_ma= 10 000 m³/h x 1,14 = 11 400 kg_{air sec}/h, puisque ρ = 1,14 kg/m^³ à 32°C

Le débit d’eau évaporé dans le laveur est de :

q_me= q_max (x_S– x_E) = 11 400 x (8,3 – 1) = 83,2 kg_eau/h

Le rendement d’humidification de 85 % entraîne la relation :

η= (x_Y – x_X) / (x_SAT– xx) = 0,85

On en tire :

x_SAT= xX + (x_Y– xX) / η = 1 + (8,3 – 1) / 0,85 = 9,6 g/kg

Le point de la courbe de saturation qui présente une telle humidité absolue, est situé sur l’isenthalpe de 37,8 kJ/kg. C’est donc aussi l’enthalpie des points X et Y.

D’où :

Puissance batterie de préchauffe = q_ma x (h_X– h_E) = 11 400 x (37,8 + 7,9 ) = 521 208 kJ/h = 145 kW

Puissance batterie de postchauffe = q_max (h_S– h_X) = 11 400 x (53,5 – 37,8) = 178 980 kJ/h = 49,7 kW

Remarque : le débit d’eau pulsé est plus important puisque’on pulse généralement 0,3 kg d’eau par kg d’air, soit ici :

débit d’eau pulvérisé = 0,3 x 11 400 = 3 420 kg_eau/h

On en déduit un rapport (débit évaporé / débit pulvérisé) de (83,2 / 3 420) = 2,4 %.

Exemple : application à un humidificateur à évaporation.

Soit une salle informatique de 250 m³ dont on souhaite contrôler le degré hygrométrique. Le taux de renouvellement d’air horaire est estimé à 0,6. L’ambiance doit être maintenue à 20°C et 50 % H.R. Le local ne comportant ni arrivée d’eau, ni évacuation vers l’égout, on pense à un appareil autonome à évaporation.

Quel doit être le débit en eau de l’appareil ?

Le débit massique renouvelé chaque heure est de :

q_ma= 250 x 0,6 x 1,2 = 180 kg/h

Le débit de vapeur est donné par :

x₁= 1 gr/kg (air ext. – 10°C 60 % HR)

x₂= 7,3 gr/kg (air int. 20°C 50 % HR) (voir diagramme de l’air humide)

q_me= 180 x (0,0073 – 0,001) = 1,13 kg_eau/h.

On sélectionnera l’humidificateur dont le débit horaire est immédiatement supérieur dans le catalogue du fournisseur. Il comprend une réserve d’eau et est régulé par un hygrostat incorporé.

Calcul de la portée du jet de vapeur dans un conduit de climatisation

La portée du jet de vapeur doit être calculée afin d’éviter toute condensation sur un obstacle (filtre, ventilateur, …) ou sur les parois d’une gaine.

Un premier constructeur fournit des valeurs approchées sur base de l’humidité relative avant humidificateur et de l’humidité relative après humidificateur.

Portée de l’humidification [en m]
–	HR après
HR avant	40 %	50 %	60 %	70 %	80 %	90 %
5 %	0.9	1.1	1.4	1.8	2.3	3.5
10 %	0.8	1.0	1.3	1.7	2.2	3.4
20 %	0.7	0.9	1.2	1.5	2.1	3.2
30 %	0.5	0.8	1.0	1.4	1.9	2.9
40 %	–	0.5	0.8	1.2	1.7	2.7
50 %	–	–	0.6	1.0	1.5	2.4
60 %	–	–	–	0.7	1.2	2.1
70 %	–	–	–	–	0.8	1.7

Un autre constructeur recommande la portée suivante pour une rampe vapeur :

portée = K (q_ma/ L)^1/2(en m.)

où :

q_ma est le débit massique horaire de l’air traité (en kg/h)
L est la longueur des rampes d’injection le long desquels se répartit la distribution de vapeur (en cm.)
K est un coefficient repris dans l’abaque ci-dessous.

Ainsi, pour une humidité absolue de 4 g/kg avant humidificateur, une température de l’air de 20°C, une augmentation d’humidité absolue de 4,5 g/kg et une vitesse de l’air de 2 m/s, une valeur K de 2,5 est donnée.

Attention : les valeurs de portée trouvées ci-dessus correspondent à distance minimale nécessaire à la dilution de la vapeur dans l’air. C’est à cette distance minimale que l’on placera le ventilateur, par exemple. De plus, on prévoira :

de 1,5 à 2 x la portée avant le placement d’un filtre fin ou d’une batterie de chauffage
de 2,5 à 3 x la portée avant le placement d’un filtre absolu
5 x la portée avant le placement de l’hygrostat de limite haute

Exemple : application à un humidificateur à vapeur

Un atelier d’imprimerie doit être maintenu à 20°C avec un degré hygrométrique stable à 50 %. Les déperditions de chaleur sont estimées à 50 kW dans les conditions extrêmes. Le débit d’air pulsé est de 10 000 m^³/h. Le taux de recyclage de l’air est de 75 %. on néglige les apports en eau dans la salle.

Un humidificateur autonome à vapeur (alimentation électrique) est installé dans la gaine de pulsion.

Quel doit en être le débit d’alimentation ?

Sur base du diagramme de l’air humide :

Air extérieur E : – 10°C 60 % HR, soit x_E= 1 g_eau/kg_{air sec} et h_E= – 2,2 kJ/kg
Air ambiant A : + 20°C 50 % HR, soit x_A= 7,4 g_eau/kg_{air sec} et h_E= 38,7 kJ/kg

Caractéristiques de l’air de mélange M :

débit massique pulsé : 10 000 x 1,2 = 12 000 kg/h = 3,33 kg/s
débit massique recyclé : 12 000 x 0,75 = 9 000 kg/h
débit massique air neuf : 12 000 x 0,25 = 3 000 kg/h

h_M= (38,7 x 9 000 + (- 2,2) x 3 000) / 12 000 = 28,5 kJ/kg
x_M= (7,4 x 9 000 + 1 x 3 000) / 12 000 = 5,8 g_eau/kg_{air sec}

Caractéristique de l’air soufflé S :

L’air soufflé possède la même humidité absolue que l’air ambiant :

x_S= 7,4 g_eau/kg_{air sec}
h_S= 38,7 kJ/kg + 50 kW / 3,33 kg/s = 53,7 kJ/kg

L’air soufflé sera donc à une température maximum de 35°C. (voir diagramme de l’air humide)

Débit d’eau dans l’humidificateur :

q_me= 12 000 x (7,4 – 5,8) = 19,2 kg/h

On choisira un humidificateur de 20 kg/h

Section des gaines :

Si on choisit une vitesse de 6 m/s, on obtient :

q_va= 10 000 m^³/h / 3 600 s/h = 2,77 m^³/s
section = 2,77 m^³/s / 6 m/s = 0,46 m^², soit un conduit de section : 800 sur 600.

Portée du jet de vapeur :

on choisit deux rampes de distribution de 600 mm de longueur, soit L = 120 cm.

Pour une température avant humidification de 35°C (la batterie de chauffe est située avant l’humidificateur), une humidité absolue de 7,4 g/kg après humidification, une vitesse de 6 m/s, l’abaque donne par extrapolation un K de 0,25 (ce faible K s’explique par le fait que l’air est chaud et sec à la sortie de la batterie : l’humidité relative est proche des 20% et la diffusion de la vapeur dans l’air se fait très rapidement).

portée : K (q_ma/ L) ^1/2= 0,25 x (20 / 120) ^1/2= 0,10 m

Distance minimale entre l’humidificateur et l’hygrostat : 5 x 0,10 = 0,5 m.

Attention : la portée peut dépasser le mètre si l’air à humidifier est à une température et une humidité relative proche de l’ambiance ! C’est le cas si l’air à humidifier ne porte pas la fonction de chauffage.

Améliorer énergétiquement un humidificateur existant

Remarque : si l’analyse conclut à la nécessité du remplacement de l’appareil, on consultera les critères de choix d’un humidificateur.

Décentraliser l’humidification

D’une manière générale, on vérifiera si l’humidification décentralisée d’une zone limitée dans le bâtiment au moyen d’un petit générateur de vapeur électrique ne pourrait pas suffire. L’humidification n’est-elle pas nécessaire uniquement au niveau du local informatique ou des zones contrôlées ?
Les humidificateurs autonomes à vapeur sont particulièrement souples à ce sujet.
À noter que certains locaux ne nécessitent pas d’humidification : une salle de restaurant, une cafétéria, une salle d’archives, …

Diminuer le taux de renouvellement d’air

Le besoin d’humidification est directement lié au taux de renouvellement d’air puisque c’est l’air neuf qu’il faut humidifier en hiver. Il y a donc lieu de définir précisément les besoins réels en apport d’air neuf.

Évaluer

Comment évaluer la qualité de l’air

Si un local nécessite un taux de renouvellement horaire de 5 sans obligation de contrôler le taux d’humidité, alors que les autres locaux n’ont besoin que d’un taux de 1 mais avec nécessité d’humidifier, il peut être intéressant de concevoir deux installations différentes.

Gérer

Comment réduire les débits d’air.

Diminuer la consigne d’humidification

Plus la consigne d’humidité souhaitée dans les locaux est élevée, plus la consommation liée à l’humidification est importante.

À titre d’exemple, en passant d’une consigne de 20°C 50 % HR à 20°C 60 % HR, le coût de l’humidification augmente de plus de 60% et le coût total du traitement de l’air est augmenté de 6,5 % si l’eau est froide dans l’humidificateur (chaleur de vaporisation prise sur l’air) et de 11 % si l’humidification est réalisée par un humidificateur électrique à vapeur…

Il faut donc limiter le taux d’humidité au minimum assurant le confort, à savoir 40 %. C’est d’ailleurs le taux minimal à respecter selon le RGPT.
Attention, il s’agit bien de la consigne d’humidité ambiante qui est fixée à 40%. Celle-ci peut être mesurée dans l’ambiance ou dans la reprise (si la température de l’air repris est représentative de l’ambiance – ce n’est pas le cas lorsque l’extraction se fait au travers des luminaires). Souvent, on retrouve des consignes d’humidité de l’air pulsé. Il est clair que le réglage de celles-ci doit tenir compte de la production d’humidité interne du local de manière à ne pas dépasser les 40% ambiants.
On sera par ailleurs attentif aux groupes de traitement d’air régulés suivant le principe du point de rosée. En effet, si la régulation ne comprend pas de gestion de l’humidificateur en fonction de l’humidité ambiante (c’est courant), il y aura souvent une humidification excessive. Cela dépendra de la consigne de rosée programmée.

Améliorer

Comment limiter l’humidification de l’air neuf ? Cliquez ici !

Adapter le débit de déconcentration

La fréquence des purges de déconcentration est un des éléments coûteux d’une installation d’humidification : coûteux en eau, coûteux en énergie s’il s’agit d’un humidificateur à vapeur. En effet, dans ce cas, c’est de l’eau bouillante qui va être rejetée à l’égout…
À défaut de calcul du débit de déconcentration, ou lorsque la dureté de l’eau est variable dans le temps, on aura tendance à augmenter la fréquence des purges…
Il est dès lors utile d’investir dans un humidificateur équipé d’un régulateur de fréquence des purges en fonction de la dureté de l’eau.
Pour chiffrer l’intérêt de ce régulateur, on peut suivre le raisonnement suivant :

Les pertes de chaleur peuvent être calculées sur base de x litres/h envoyés à l’égout, chaque litre chauffé de 10° à 100° demandant 0,1 kWh.
Le rendement de l’humidificateur est le rapport entre la chaleur nécessaire à la vaporisation de l’eau et la chaleur totale fournie.
Sans régulateur, le rendement d’un humidificateur à vapeur est de l’ordre de 85 %.
Avec un régulateur, le rendement atteint 94 %.

Exemple.

Soit une installation de 40 kg/h de vapeur (et donc 40 x 0,75 = 30 kW). en moyenne annuelle, on estime que l’installation fonctionne à 50 % de puissance durant 1 000 heures.

La perte de rendement de 9 % entraîne un surcroît de consommation de :

0,09 x 0,50 x 30 x 1 000 = 1 350 kWh/an

Sur base d’un prix du kWh à 0,1 €, on obtient :

1 350 x 0,1 = 135 €/an

Adapter le régulateur aux besoins

Si le système de régulation est en mode on-off, il travaillera généralement avec un différentiel de 5 %. Or une consigne est généralement réglée par l’occupant en fonction de sa valeur minimale. Comme tout supplément d’humidité entraîne un supplément de consommation, autant placer un système sensible qui n’entraînera pas de dépassement vers le haut de l’humidité intérieure.
Trois types de régulateurs sont disponibles : régulateur on-off, régulateur proportionnel (P) ou régulateur proportionnel-intégral (PI). Le diagramme ci-dessous (issu d’un constructeur) permet de choisir le type de régulateur et la bande proportionnelle du système en % HR, en fonction :

De la précision attendue (plus la tolérance est faible, plus on aura tendance à sélectionner un PI avec petite bande proportionnelle).
De la quantité relative d’humidité absolue à fournir (plus celle-ci est grande, plus on sélectionnera un appareil PI fiable, puisqu’on est proche de la saturation).

Le remplacement d’un régulateur ON-OFF existant par un PI ne s’amortit pas sur la réduction des consommations, mais en cas de renouvellement du matériel, autant réserver le régulateur ON-OFF à un rôle de sécurité limite haute.

Remplacer la régulation par point de rosée d’un laveur d’air

L’utilisation des humidificateurs par pulvérisation avec recyclage d’eau était souvent associée à une régulation dite « par point de rosée ». La fiabilité des hygrostats étant autrefois sujette à caution, on prévoyait une régulation sur base de la température en sortie d’humidificateur, température égale au point de rosée du point de soufflage. On parlait de régulation par « point de rosée ».

Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais pose des problèmes en mi-saison et en été, avec des consommations d’énergie importantes. Il arrive de rencontrer des installations où humidification et batterie froide fonctionnent simultanément…

Quelles solutions ?

Dans un premier temps, il importe d’abaisser la température de rosée en hiver et de la relever en été. Cela peut s’imaginer manuellement ou automatiquement par la régulation.

On peut également stopper le fonctionnement de la batterie froide pour des besoins de déshumidification en commandant la batterie froide en fonction des besoins de l’ambiance uniquement.

On peut limiter le temps de fonctionnement de l’humidificateur en le commandant en tout ou rien sur base d’un hygrostat dans l’ambiance ou placé dans l’extraction. Des légères fluctuations d’humidité et de température se produiront cependant dans le local.
On peut étudier la possibilité de travailler à débit d’eau variable, notamment à partir d’un humidificateur rotatif …
Puisque le laveur d’air ne pose pas de problèmes en hiver, il reste la solution d’imposer un arrêt total de l’humidification au-dessus d’un seuil de température extérieure : de 5°C à 8°C, par exemple. Le respect d’une consigne fixe de 50 % HR ne pourra plus être assuré, mais l’occupant ne s’en rendra pas compte, puisque le confort est assuré dès 40 % HR …

Techniques

Pour plus de détails, cliquez sur l’analyse d’une régulation par point de rosée.

Posted By : 25 Sep, 2007

Débit d’eau de déconcentration d’un humidificateur à recyclage

Débit d’évaporation

Soit :

x₁= humidité absolue de l’air avant humidification (en kg_eau / kg_{air sec})
x₂= humidité absolue de l’air après humidification (en kg_eau / kg_{air sec})
q_v= débit volumique de l’air (en m^³/s)
r = poids volumique de l’air (en kg/m^³)

Le débit d’eau évaporée D_e est donné par :

D_e= r x q_v x (x₂– x₁) [en kg_eau/s]

Si q_v est exprimé en m^³/h, débit horaire plus réaliste, le débit d’eau évaporée D_e sera lui aussi exprimé en kg_eau/h.

Débit d’eau de déconcentration

Un constructeur propose l’abaque ci-dessous :

Elle permet d’extraire F_B, coefficient de déconcentration. Sa valeur précise le pourcentage d’eau de déconcentration D_d à prévoir en fonction du débit d’évaporation D_e.

D_d= FB x D_e(en kg_eau/s)

Ainsi, une valeur de FB égale à 0,5 signifie que 50 % du débit d’évaporation doit être ajouté pour déconcentrer l’eau chargée en sels. Un coefficient supérieur à 2 sous-entend que les caractéristiques de l’eau sont telles qu’il faille travailler avec un humidificateur à eau perdue ! En pratique, vu le coût d’une telle solution, on adoptera une autre technique d’humidification.

Exemple

Soit un débit d’air de 8 600 m^³/h traversant un humidificateur à évaporation.

Caractéristiques

avant humidification, humidité absolue de 2 g_eau/ kg_{air sec}
après humidification, humidité absolue de 10,5 g_eau/ kg_{air sec}
pH de l’eau du réseau : 7,1
concentration en ion calcium (Ca)²⁺ : 100 ppm (100 mg/l)
concentration en ion bicarbonate (HCO₃₎^–: 100 ppm (100 mg/l)

Estimation du débit d’eau évaporée

Pour un air aux alentours de 20°C, on prendra un poids volumique de 1,2 kg/m^³, d’où

D_e= r x q_v x(x₂– x₁) = 1,2 x 8 600 x (0,0105 – 0,002) = 87,7 kg/h = 87,7 litres/h

Estimation du débit de déconcentration

De l’abaque, on déduit un coefficient FB égal 0,3.
D’où, D_d= 0,3 x 87,7 = 26,3 litres/h

Débit total d’eau consommée

D_tot= 87,7 + 26,3 = 114 litres/h.

Energie Plus Le Site

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Prédimensionnement d’un humidificateur