Download et T

Climatologie du séchoir: propriétés de l’air
humide et outils de mesure ou de calcul
Yves Fortin
Ateliers-conférences sur le séchage
du bois, C.I.F.Q, 17e édition
12 et 13 mai 2011, Hôtel PLAZA, Québec
Faculté de foresterie,
de géographie et de
géomatique
Université Laval
Plan de la présentation
• État de la question
• Objectifs de la présentation
• Paramètres de commande de la climatologie du séchoir
• Instruments de mesure des paramètres de commande
de la climatologie du séchoir
• Propriétés de l’air humide
• Outils de mesure ou de calcul des propriétés de l’air
humide
• Conclusion
2
État de la question
Bien comprendre la climatologie du séchoir
est une condition essentielle à la réussite du
séchage:
1. Paramètres de commande de la climatologie
2. Propriétés de l’air humide
3. Effet du climat dans le séchoir sur la ventilation et la
consommation en énergie
4. Mesure ou calcul des propriétés de l’air humide.
3
Objectifs de la présentation
1. Description des relations physiques et
thermodynamiques décrivant la climatologie du
séchoir
2. Rappel des principaux outils de mesure ou de
calcul de la climatologie du séchoir.
4
Paramètres de commande de la
climatologie du séchoir
1. La température sèche
2. L’humidité relative de l’air (ou température humide)
3. La vélocité (vitesse) de l’air
5
Instruments de mesure des paramètres de
commande de la climatologie du séchoir
1. La température sèche: RTD, thermocouples, circuits
intégrés.
2. L’humidité relative de l’air (ou température humide):
psychromètres à thermomètres sec et humide,
hygromètres électroniques
3. La vélocité de l’air: anémomètres à fil chaud,
anémomètres à hélices, tube de Pitot
6
Instruments de mesure des paramètres de
commande de la climatologie du séchoir
Sondes de température
RTD: « resistance temperature detector »
avec Pont de Wheatstone (± 0,1oC)
Thermocouple passif (effet Seebeck)
(± 0,5oC)
www.sensorsmag.com/.../so-what-is-rtd-1079
www.eaeeie.org/.../menumsensorstypesfr.html
7 / 31
Instruments de mesure des paramètres de
commande de la climatologie du séchoir
Psychromètre à thermomètres sec et humide (humidité relative)
Principe de la mesure
michel.hubin.pagesperso-orange.fr/capteurs/ch...
8 / 31
Instruments de mesure des paramètres de
commande de la climatologie du séchoir
Psychromètre à thermomètres sec et humide (humidité relative)
Séchoir expérimental MEC Université Laval
Gaze de coton tubulaire
Psychromètre pour climats doux
techni-meteo.niceboard.com/t4-un-psychrometre...
9 / 31
Propriétés de l’air humide
Sources d’erreur de la mesure de l’humidité relative à
l’aide du psychromètre
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Ventilation trop faible (vair > 1,5 m/s)
Sondes de température imprécises
Coton contaminé par dépôts calcaires
ou ferreux
Dessèchement du coton
Eau trop froide
Manque d’eau dans le réservoir
Échange de chaleur par rayonnement
des radiateurs ou des murs du séchoir
Échange de chaleur par conduction
thermique provenant du support de la
sonde.
10
Instruments de mesure des paramètres de
commande la climatologie du séchoir
Hygromètre électronique (humidité relative)
www.alibaba.com/product-free/111296669/Temper...
11 / 31
Instruments de mesure des paramètres de
commande la climatologie du séchoir
Anémomètre (vitesse de l’air)
À hélice
www.hellopro.fr/Chevrier_Instruments_inc-7931...
À fil chaud
www.chevrierinstruments.com/Francais/Nouveaut...
12 / 31
Propriétés de l’air humide
1. La température sèche - Ts
2. La température humide - Th
3. Le point de rosée - Tpr
4. L’humidité absolue - ω
5. La masse volumique de l’air humide - mvah
6. La masse volumique de l’air sec - mvas
7. Le volume spécifique de l’air humide (sur une base
sèche) - V’s
8. L’enthalpie de l’air humide (contenu en énergie) - hah
13
Propriétés de l’air humide
Humidité relative
 pV
HR = 
 p VS

 x 100

 T,P
(%)
pv = pression partielle de la vapeur d'eau présente dans l'air
pvs = pression de vapeur d'eau saturante
P = pression totale du mélange air-vapeur (pa + pv)
où
p VS = 10
B 

 A −

T
+
C


A = 7,0625
B = 1650,27
C = 226,34
14
Propriétés de l’air humide
Humidité relative
 pV
HR = 
 p VS

 x 100

 T,P
(%)
Si Ts ≤ 100oC, HR ≤ 100% (mélange air-vapeur)
Héquilibre du bois < 23%
Si Ts > 100oC, Th < 100oC HR < 100% (mélange air-vapeur surchauffé)
Si Ts > 100oC, Th = 100oC, HR < 100%, (vapeur surchauffée)
Héquilibre du bois < 10%
15
Propriétés de l’air humide
Humidité relative (déduite de Ts et Th)
 p VS( Th ) − 0,5(Ts − Th ) 
HR = 
 x 100
p VS( Ts )


(%)
où pvs est donnée en mm Hg et T en oC
(1 mm Hg = 133,322 Pa).
16
Propriétés de l’air humide
Humidité absolue
mV
ω=
mas
où
mv
mas
=
=
 kg v

 kg as



masse de vapeur (kg)
masse d'air sec (kg)
17
Propriétés de l’air humide
Masse volumique de l’air humide et de l’air sec
mv ah
353 1,317pv
=
−
T
T
 kgah 
 3 
 mah 
où T est en K
mv as
353
=
T
 kgas 
 3 
 mas 
N.B. À une température sèche donnée, l’air humide est plus léger que l’air sec
18
Propriétés de l’air humide
Énergie contenue dans l’air humide (enthalpie)
hah = 1,003 T + ( 2500 + 1,92T )ω
où
hah = enthalpie unitaire (p/r Tréf = 0oC)
T est la température sèche en oC
Hah = hah m eau
où
 kJ 


 kg 
 as 
1
ω2 − ω1
(kJ)
Hah = enthalpie totale
19
Propriétés de l’air humide
Volume d’air humide requis pour évaporer une masse
d’eau donnée d’un chargement de bois
V ah
où
1
=
⋅ V s' ⋅ m eau
( ω 2 − ω1 )
ω2 =
ω1 =
V’s =
meau=
(m3ah)
humidité absolue à l’évent de sortie (kgv/kgas)
humidité absolue à l’évent d’entrée (kgv/kgas)
volume spécifique de l’air humide
sur une base sèche (m3ah/kgas)
masse d’eau à évaporer (kgeau)
20
Volume d’air humide minimum requis pour sécher de 90 à 9%
200 000 pmp (472 m3) de sapin baumier
Ts entrée = 5oC
HR entrée = 90%
Ts sortie = 60oC
HR sortie = 60%
Meau = 128 077 kg
Dimensions réelles des sciages:
51 x 102 mm
Vah entrée = 1 300 400 m3
Vah sortie = 1 752 500 m3
20 évents de 12 po fonctionnant à
100% d’ouverture pendant 115 h
Volume d’air humide minimum requis pour sécher de 90 à 9%
200 000 pmp (472 m3) de sapin baumier
Ts entrée = 5oC
HR entrée = 90%
Ts sortie = 90oC
HR sortie = 70%
Vah entrée = 173 775 m3
Vah sortie = 437 720 m3
20 évents de 12 po fonctionnant à
100% d’ouverture pendant 28,7 h
Excédent d’air
Définition: pourcentage du volume d’air humide à
circuler dans les évents d’aération en sus de la valeur
minimale théorique
Séchoirs étanches avec un contrôle indépendant des évents
d’aération: 10-15%
Séchoirs non étanches sans un contrôle indépendant des
évents d’aération: 15-25%
23
Énergie contenue dans le volume d’air humide minimum requis pour sécher
de 90 à 9% 200 000 pmp (472 m3) de sapin baumier
Ts entrée = 5oC
HR entrée = 90%
Ts sortie = 60oC
HR sortie = 60%
hah entrée = 17 kJ/kgas (16 Btu/kgas)
Hah entrée = 27 630 MJ (26 163 300 BTU)
hah sortie = 277 kJ/kgas (263 Btu/kgas)
Hah sortie = 454 000 MJ (429 900 000 BTU)
Énergie contenue dans le volume d’air humide minimum requis pour sécher
de 90 à 9% 200 000 pmp (472 m3) de sapin baumier
Ts entrée = 5oC
HR entrée = 90%
Ts sortie = 90oC
HR sortie = 70%
hah entrée = 17 kJ/kgas (16 Btu/kgas)
Hah entrée = 3 722 MJ (3 524 000 BTU)
hah sortie = 1667 kJ/kgas (1579 Btu/kgas)
Hah sortie = 364 840 MJ ( 345 492 000 BTU)
20% inférieure au séchage à 60oC
Énergie contenue dans le volume d’air humide minimum requis pour sécher
de 90 à 9% 200 000 pmp (472 m3) de sapin baumier
Ts entrée = 5oC
HR entrée = 90%
Ts sortie = 90oC
HR sortie = 70%
hah sortie = 1667 kJ/kgas (1579 Btu/kgas)
Hah entrée = 364 840 MJ ( 345 492 000 BTU)
Qi
kJ
%
kJ
Calorifique + électrique
%
kJ/m³app
kWh/kgeau
Calorifique seulement
1
18 436 581
3,7
18 436 581
3,8
38 837
0,04
2
3
4
14 314 865
3 489 561
5 205 953
2,8
0,7
1,0
14 314 865
3 489 561
5 205 953
3,0
0,7
1,1
30 155
7 351
10 967
0,03
0,01
0,01
5
6
7
8
338 652 281
72 641 950
28 633 256
22 389 459
67,2
14,4
5,7
4,4
338 652 281
72 641 950
28 633 256
----
70,4
15,1
5,9
713 382
153 023
60 317
0,73
0,16
0,06
Total
503 763 907
100,0
481 374 448
100
1 014 031
1,04
Tableur Excel pour le calcul du bilan énergétique au séchoir
Q5 = chaleur pour évaporer l’eau
Q6 = chaleur pour chauffer l’air ambiant et l’humidifier
(Source: CRB, Université Laval)
Évolution de la température à travers la
pile de bois
Température sèche (oC)
74
72
70
Ts
68
Th
66
64
62
60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Position dans l'empilement (pied)
27
Évolution de la température à travers la
pile de bois
Principe de fonctionnement du DTAB
y
z
va
x
h vapDb eplanL dH
DTAB =
ρa v ac pa ebag dt
(oC)
Le DTAB augmente avec l’épaisseur de la planche, la largeur
de la pile, et le taux de séchage
Le DTAB diminue avec la vitesse de l’air et l’épaisseur des
baguettes
28
Outils de calcul des propriétés de l’air humide
Diagramme psychrométrique (faibles températures)
http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/65708
hah
Th
ω
Tpr
Ts = 42 oC
HR = 40%
ω = 0,0215 kgv/kgas
Th = 29,5 oC
Tpr = 26 oC
hah = 98 kJ/kgas
Ts
29
Outils de calcul des propriétés de l’air humide
Diagramme psychrométrique (températures élevées)
http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/65708
30 / 31
Outils de calcul des propriétés de l’air humide
Table psychrométrique
(Tiré de Cech et Pfaff 1980)
31 / 31
Outils de calcul des propriétés de l’air humide
Logiciel en ligne
www.cactus2000.de/fr/unit/masshum.shtml
32
Conclusion
• La climatologie du séchoir est une science complexe
fondée sur les lois fondamentales de la physique et
de la thermodynamique
• Les propriétés de l’air humide peuvent cependant
être facilement évaluées à partir du diagramme ou
de la table psychrométrique
33
Conclusion (suite)
• La commande des paramètres de contrôle de la
climatologie du séchoir repose sur une mesure
précise de ces paramètres
• La capacité évaporatrice de l’air augmente de façon
exponentielle avec la température
• Le calcul de l’enthalpie minimale théorique de l’air
humide à l’évent de sortie correspond à environ 7580% de toute l’énergie calorifique requise pour le
séchage.
34
Références
• Cech M. et F. Pfaff. 1980. Manuel de l’opérateur de séchoir à
bois pour l’est du Canada. Rapport SP504FR, Laboratoire des
produits forestiers de l’est, Forintek Canada Corp.
35
Impossible de réchauffer un corps plus chaud à partir d’un
corps plus froid sans un apport de travail
(Effet pervers de la seconde loi de la thermodynamique sur l’entropie!)
Principe de la pompe à chaleur
Yves Fortin
Merci de votre attention
Faculté de foresterie,
de géographie et de
géomatique
Université Laval