L'invention a trait à la déshumidification des gaz humides et plus particulièrement de l'air humide par condensation de la fraction d'eau.

La déshumidification de l'air se fait principalement par deux techniques très différentes l'une de l'autre. La première consiste à faire passer le flux d'air humide par un tamis sur lequel sont adsorbées les molécules d'eau, l'adsorbant pouvant être une zéolithe, par exemple.

La seconde consiste à modifier les conditions de pression et de température de l'air humide. L'objectif est de déshumidifier par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air, en abaissant la température en dessous du point de rosée, température la plus basse à laquelle une masse d'air peut être soumise, pour des conditions de pression et d'humidité données, sans qu'il n'y ait condensation de la vapeur d'eau.

Dans certaines applications, il est parfois nécessaire de fortement assécher l'air humide afin que l'humidité absolue tende vers zéro et ce dans un minimum de temps. La déshumidification se fait alors à des températures bien inférieures à celle du point triple de l'eau. La vapeur d'eau se condense puis se solidifie pour former du givre. Une plus grande partie de l'eau sous forme de vapeur est extraite, et l'air est par conséquent mieux asséché.

Le brevet français publié sous le numéro FR 2590327 (GOSSLER EWALD) propose un dispositif de déshumidification comprenant deux sécheurs montés en parallèle. Un système de refroidissement sous la forme d'une pompe à chaleur refroidit les sécheurs. La pompe à chaleur comprend les éléments habituels à savoir un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur. Le fluide frigorigène est comprimé dans le compresseur puis est liquéfié dans le condenseur. Un ventilateur refroidit le condenseur. Le fluide frigorigène est ensuite provisoirement stocké dans un réservoir tampon avant d'être envoyé vers l'évaporateur qui n'est d'autre que le sécheur lui-même. Dans le sécheur, l'agent frigorigène s'évapore en récupérant la chaleur de l'air aspiré par le sécheur. La température de l'air humide est ainsi abaissée à environ -20°C. La déshumidification se fait par formation de glace dans le sécheur. L'amoncellement de glace dans le sécheur limite, à un moment donné, la déshumidification de l'air. En effet, la glace se comporte comme un isolant thermique et empêche de refroidir l'air aux températures souhaitées, à tel point que celui-ci n'est plus correctement déshumidifié. Le dispositif comprend des moyens mesurant la pression et/ou la température du fluide frigorigène. Lorsque ces paramètres atteignent un seuil prédéterminé, le dispositif enclenche le dégivrage du sécheur concerné tandis que le second sécheur continue de fonctionner parallèlement. Le dégivrage se fait en récupérant le fluide frigorigène réchauffé en sortie du second sécheur et en l'injectant dans le circuit de froid du premier sécheur. Le dispositif qui vient d'être décrit présente de nombreux inconvénients. La déshumidification se fait en une seule étape au sein de sécheurs où la différence de température est de 40°C. Par conséquent, l'air humide passe brusquement de 20°C à -20°C. Une grande quantité de givre se forme et il est nécessaire d'effectuer des opérations de dégivrage régulières. Par ailleurs, la masse d'eau à retirer en une seule étape est telle que la puissance de refroidissement nécessaire des sécheurs doit être élevée. Ce dispositif est donc extrêmement énergivore. L'objectif poursuivi par la demanderesse est par conséquent d'augmenter l'efficacité énergétique des dispositifs de déshumidification d'air.

A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de déshumidification d'un gaz comprenant de la vapeur d'eau. Ce procédé est mis en œuvre au moyen d'un dispositif comprenant : au moins une paire de sécheurs montés en parallèle, chacun munis de moyens pour évacuer les condensais, au moins un système de refroidissement des sécheurs, un système de dégivrage des sécheurs, un compresseur situé, selon la direction de passage du gaz, en aval des sécheurs, et positionné de telle sorte que l'intégralité du gaz issu des sécheurs traverse le compresseur, une unité de contrôle pour effectuer les étapes du procédé.

Ce procédé de déshumidification comprend une étape d'aspiration du gaz à déshumidifier dans les sécheurs, une étape de refroidissement du gaz dans les sécheurs au moyen du système de refroidissement jusqu'à une température de solidification de l'eau contenue dans le gaz à déshumidifier, une étape de compression du gaz ainsi déshumidifié, - une étape de dégivrage pendant laquelle la glace dans les sécheurs est liquéfiée lorsque la quantité de glace accumulée dans les sécheurs atteint un seuil prédéterminé.

Le procédé comprend, en outre, une étape de séchage primaire du gaz aspiré au moyen d'un sécheur primaire situé en amont des sécheurs parallèles. Le sécheur primaire est muni d'un système de refroidissement primaire. Dans cette étape le gaz est refroidi à une température inférieure à la température de condensation de l'eau et supérieure à la température de solidification de l'eau.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : les sécheurs montés en parallèle fonctionnent de manière alternée ; le gaz est de l'air humide dont l'humidité relative est de 70% ; l'air humide est déshumidifiée par : une première opération de séchage au cours de laquelle la température de l'air humide est abaissée en dessous de la température de condensation et au dessus de la température de solidification à pression atmosphérique, soit environ 1 °C, o une deuxième opération de séchage au cours de laquelle la température de l'air partiellement déshumidifié dans la première opération est abaissée jusqu'à une température de givrage substantiellement égale à -40°C de telle sorte à obtenir un air sec dont l'humidité absolue est de 0,078 g _H 2o / kg air sec l'air humide est déshumidifiée par : o une première opération de séchage au cours de laquelle la température de l'air humide est abaissée en dessous de la température de condensation et au dessus de la température de solidification à pression atmosphérique, soit environ 1 °C, o une deuxième opération de séchage au cours de laquelle la température de l'air partiellement déshumidifié dans la première opération est abaissée jusqu'à une température de givrage substantiellement égale à -63°C de telle sorte à obtenir un air sec dont l'humidité absolue est de 0,0043

le procédé comprend une opération de mesure de la perte de charge dans les sécheurs montés en parallèle ; l'étape de dégivrage d'un des sécheurs montés en parallèle est lancée lorsque la perte de charge atteint un seuil prédéterminé ; le refroidissement des sécheurs est effectué au moyen de fluides frigorigènes zéotropes ; Il est proposé, en deuxième lieu, un dispositif de déshumidification de l'air humide comprenant : - au moins une paire de sécheurs montés en parallèle, chacun munis de moyens pour évacuer les condensais, au moins un système de refroidissement des sécheurs parallèles, - un système de dégivrage des sécheurs, un compresseur situé, selon la direction de passage du gaz, en aval des sécheurs, et positionné de telle sorte que l'intégralité du gaz issu des sécheurs traverse le compresseur, une unité de contrôle.

Le dispositif comprend en outre : - un sécheur primaire situé en amont des sécheurs parallèles et muni d'un système de refroidissement primaire,

un capteur différentiel de pression mesurant la perte de charge dans les sécheurs montés en parallèle. Le système de dégivrage des sécheurs montés en parallèle se présente sous la forme d'un circuit de dérivation connecté à la sortie d'un compresseur secondaire du système de refroidissement des sécheurs parallèles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique, non limitative, d'un dispositif de déshumidification,

- la figure 2 est une représentation similaire à la figure 1, dans une variante d'utilisation. Sur la figure 1 est représenté, de manière schématique, un dispositif 1 de déshumidification et de mise sous pression de l'air humide. Le dispositif 1 comprend un premier étage 2 et un deuxième étage 3.

Le premier étage 2 comprend un sécheur 4 primaire refroidi par un système 5 de refroidissement primaire. Le système 5 de refroidissement primaire est une pompe à chaleur munie d'un compresseur 6 primaire, d'un condenseur 7 primaire, d'un détendeur 8 primaire et d'un évaporateur n'étant autre que le sécheur 4 primaire lui-même.

Le sécheur 4 primaire est équipé dans une partie inférieure d'un récupérateur 9 primaire de condensais. Un réservoir 10 primaire de condensais est relié au récupérateur 9 primaire par un circuit 11 de récupération primaire. Une pompe 12 primaire est montée entre le récupérateur 9 primaire et le réservoir 10 primaire. Le récupérateur 9 primaire et le réservoir 10 primaire sont tous deux dotés d'un capteur 13 de niveau. Le réservoir 10 primaire comprend également une évacuation 14 primaire munie d'une vanne 15 d'évacuation primaire.

Un filtre 16 à poussière est positionné en amont du sécheur 9 primaire par rapport au sens de déplacement du gaz représenté par des flèches. Le deuxième étage 3 est situé, par rapport au sens de déplacement du gaz, en aval du premier étage 2. Le deuxième étage 2 comprend deux sécheurs 17 montés en parallèle, c'est-à-dire que chacun fonctionne indépendamment de l'autre. Ces sécheurs 17 montés en parallèles sont dénommés dans ce qui suit, sécheurs 17 secondaires Tout comme le premier étage 2, le système de refroidissement se présente sous la forme d'une pompe à chaleur. La pompe à chaleur du deuxième étage 3 comprend un compresseur 18 secondaire, un condenseur 19 secondaire, deux détendeurs 20 secondaires, un pour chaque sécheur 17 secondaire, qui par ailleurs sont assimilés à des évaporateurs. Entre le sécheur 17 secondaire et le compresseur 18 secondaire, est positionnée une bouteille 21 anti-coup de liquide. Chaque sécheur 17 secondaire dispose d'une vanne de blocage 22 afin d'arrêter son alimentation en fluide frigorigène si nécessaire.

Le deuxième étage 3 comprend, en outre, un système de dégivrage matérialisé sous la forme d'un circuit 23 de dérivation prenant source au niveau du refoulement du compresseur 18 secondaire, c'est-à-dire à la sortie du compresseur 18 secondaire, et donnant sur l'entrée de l'échangeur de chaleur de chaque sécheur 17 secondaire. Le circuit 23 de dérivation comprend deux vannes 24 de dégivrage, chaque vanne 24 de dégivrage permettant de connecter ou déconnecter le circuit 23 de dérivation aux sécheurs 17 secondaires.

Chaque sécheur 17 secondaire comprend un récupérateur 25 secondaire relié à un réservoir 26 secondaire par un circuit 27 de récupération secondaire. Le circuit 27 de récupération secondaire comprend une pompe 28 secondaire. Une vanne 29 d'accès et une vanne 30 anti-retour sont respectivement situées en amont et en aval de chaque sécheur 17 secondaire. Les récupérateurs 25 secondaires et le réservoir 26 secondaire comprennent chacun un capteur 13 de niveau. Le réservoir 26 secondaire comprend en outre une évacuation 31 secondaire munie d'une vanne d'évacuation 32 secondaire. Un capteur 33 différentiel de pression mesure la pression de part et d'autre du deuxième étage 3. Enfin, le dispositif 1 de déshumidification comprend un compresseur 34 principal.

La déshumidification de l'air se fait en deux étapes successives. Un premier assèchement est effectué dans le premier étage 2 et le second est opéré dans le deuxième étage 3.

Dans le mode de réalisation décrit ci-après, l'air est à température ambiante (20°C) et à pression atmosphérique (101 325 Pa). L'humidité relative est de 70% soit une humidité absolue de 10,21 g _H 2o / kg air sec- L'air humide passe tout d'abord par le filtre 16 à poussière où il est nettoyé de ses impuretés. L'air passe ensuite à travers le sécheur 4 primaire où il est refroidi à une température de condensation d'environ 1°C correspondant à une humidité absolue de 4 g _H 2o / kg air sec-

La vapeur d'eau contenue dans l'air se condense dans le sécheur 4 primaire et est collectée dans le récupérateur 9 primaire sous forme de condensais. Les condensais s'accumulent au fur et à mesure que de l'air est déshumidifié. Lorsque le volume de condensais atteint un seuil prédéterminé mesuré par l'un des capteurs 13 de niveau positionné sur le sécheur 4 primaire, ces condensais sont envoyés vers le réservoir 10 primaire grâce à la pompe 12 primaire actionnée à cet effet. Lorsque le volume de condensais dans le réservoir 10 primaire atteint un seuil prédéterminé mesuré par le capteur 13 de niveau associé au dit réservoir 10 primaire, la vanne 15 d'évacuation primaire est ouverte et les condensais sont évacués par l'évacuation 14 primaire.

L'air partiellement déshumidifié quitte le premier étage 2 et s'engouffre dans le deuxième étage 3. Dans le deuxième étage 3, les sécheurs 17 secondaires fonctionnent de manière alternée, c'est-à-dire qu'ils ne fonctionnent jamais en même temps. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, seul le sécheur 35 secondaire inférieur fonctionne tandis que le sécheur 36 secondaire supérieur est en cours de dégivrage. La vanne d'accès 37 supérieure est fermée et bloque l'accès au sécheur 36 secondaire supérieur. La vanne d'accès 38 inférieure est ouverte et le gaz partiellement déshumidifié dans le premier étage 2 s'engouffre dans le sécheur 35 secondaire inférieur. Les vannes anti-retour 39,40 supérieure et inférieure sont respectivement fermée et ouverte.

Le gaz partiellement déshumidifié est, dans le sécheur 35 secondaire inférieur, refroidi à une température d'environ -40°C. La vapeur d'eau se condense et se solidifie instantanément. L'air déshumidifié continue son chemin vers le compresseur 34 principal. La vanne anti-retour 39 supérieure fermée, interdit au flux d'air sortant du sécheur 35 secondaire inférieur de rejoindre à contre-sens le sécheur 36 secondaire supérieur. L'air déshumidifié et porté à une température sensiblement égale à -40°C et dont l'humidité absolue est de 0,078 g H2o / kg air sec, est comprimé par le compresseur 34 principal à une pression d'environ 8 bar. La température de refoulement du compresseur 34 principal est, pour une pression de 8 bar et pour une température en entrée de -40°C, de 228,5 °C. Autrement dit l'air déshumidifié et comprimé à 8 bar est à la température qui vient d'être citée.

Au fil de la production d'air sec, de la glace hydrique se dépose le long du sécheur 35 secondaire inférieur. Cette glace hydrique est une entrave pour le passage de l'air et joue le rôle d'isolant thermique. A un moment donné, la quantité de glace hydrique est telle que le refroidissement de l'air ne s'effectue plus de manière efficace. La conséquence est que l'air n'est plus déshumidifié comme il devrait l'être. Le capteur 33 différentiel mesure la différence de pression entre l'entrée et la sortie du deuxième étage 3. Lorsque cette différence de pression atteint un seuil prédéterminé jugé important, la quantité de glace hydrique s'étant déposée le long du sécheur 35 secondaire inférieur est trop importante, la glace hydrique contribuant à l'augmentation de la perte de charge le long du deuxième étage 3.

Lorsque la perte de charge atteint ce seuil limite, l'unité de contrôle (non représentée) ordonne la fermeture de la vanne d'accès 38 inférieure et de la vanne anti-retour 40 inférieure ainsi que l'ouverture de la vanne d'accès 37 supérieure et de la vanne anti-retour 39 supérieure. Dans le même temps, l'unité de contrôle ordonne également la fermeture de la vanne de blocage 41 inférieure et l'ouverture de la vanne de blocage 42 supérieure. De la sorte, le sécheur 35 secondaire inférieur n'est plus alimenté en fluide frigorigène tandis que le sécheur secondaire 36 supérieur l'est. L'air partiellement déshumidifié dans le premier étage 2 est alors orienté vers le sécheur 36 secondaire supérieur afin que la production d'air sec continue comme ceci est illustré sur la figure 2 où le sécheur 36 secondaire supérieur fonctionne en mode givrage.

L'unité de contrôle commande alors le dégivrage du sécheur 35 secondaire inférieur. La vanne de dégivrage 43 inférieure est ouverte tandis que la vanne de dégivrage 44 supérieure est fermée. Une partie du fluide frigorigène en sortie du compresseur 18 secondaire est redirigé vers le circuit 23 de dérivation et rejoint le sécheur 35 secondaire inférieur. Le débit vapeur de fluide frigorigène prélevé au refoulement du compresseur 18 secondaire présente une température élevée typiquement supérieure à 30°C soit supérieure à la température de liquéfaction de la glace hydrique qui est de 0°C. Cette température et la condensation partielle ou totale du débit de fluide frigorigène constituent un apport de chaleur permettant de dégivrer la glace hydrique déposée sur le sécheur 35 secondaire inférieur. Le fluide frigorigène continue ensuite son chemin en passant par la bouteille 21 anti-coup de liquide puis retourne vers le compresseur 18 secondaire. La bouteille 21 anti-coup de liquide permet de protéger le compresseur 18 secondaire. En effet que dans l'évaporateur (ie sécheur 17 secondaire), une partie du fluide frigorigène injecté pour le dégivrage se condense et le fluide frigorigène liquide pourrait endommager le compresseur 18 secondaire par un phénomène appelé « coup de bélier ». La bouteille 21 anti-coup de liquide permet de vaporiser la fraction liquide afin que le compresseur 18 secondaire du système de refroidissement ne soit alimenté qu'en fluide frigorigène gazeux.

Le dégivrage des sécheurs 17 secondaires met environ 6 minutes, tandis que les sécheurs ne deviennent inexploitables à cause du givre qu'après environ 20 minutes d'utilisation. Ainsi, il n'y a aucun risque que les deux sécheurs 17 secondaires soient en demande de dégivrage au même moment.

Au cours du dégivrage, le récupérateur 25 secondaire de condensais du sécheur 35 secondaire inférieur se remplit de la même manière que pour le premier étage 2 comme cela est illustré sur la figure 1. Lorsque le volume de condensais atteint un seuil prédéterminé, ceux-ci sont évacués vers le réservoir 26 secondaire de condensais, de la même manière que pour le sécheur 4 primaire. Une fois le sécheur 36 secondaire supérieur présente des pertes de charge supérieures au seuil de régulation fixé, l'unité de contrôle bascule le flux d'air partiellement déshumidifié à nouveau vers le sécheur 35 secondaire inférieur.

La déshumidification peut être poussée plus loin encore en retirant plus d'eau de l'air. Il suffit alors d'abaisser la température dans le sécheur jusqu'à une température de -63°C par exemple. L'humidité absolue de l'air en sortie est alors de 0,0043 g _H 2o / kg air sec- La déshumidification en deux étapes est avantageuse dans l'efficacité énergétique recherchée. En effet, la première étape effectuée dans l'étage primaire 2, permet d'éliminer près de 60% d'eau dans l'air. Eviter cette étape reviendrait directement à refroidir à très basse température, par exemple -40°C, la quantité de condensais givrés serait alors très importante et il serait nécessaire de dégivrer très fréquemment. Par ailleurs, rapporté au débit massique total de l'air à déshumidifier, l'enthalpie nécessaire pour maintenir à -40°C la masse d'air non partiellement déshumidifiée est très importante. Par conséquent, le dispositif serait très énergivore. Une étape primaire de déshumidification par condensation et non par givrage est donc avantageuse pour améliorer l'efficacité énergétique du dispositif.

Toutefois, d'autres mesures sont à prendre en considération afin d'améliorer la consommation des dispositifs de déshumidification. Le fluide réfrigérant doit être judicieusement choisi. Dans ce cas précis, les écarts de températures sur l'air sont importants par conséquent il est judicieux de choisir des mélanges de fluides frigorigènes zéotropes, c'est-à-dire des mélanges qui lors du changement d'état à pression constante (évaporation ou condensation) ont leur température qui varie contrairement aux fluides purs ou aux mélanges azéotropes. L'enjeu est de choisir un mélange zéotrope dont la variation de température s'adapte à celle de l'air humide. En l'occurrence il s'agit donc de choisir des mélanges dont l'évaporation intervient dans une plage de température située entre -1°C et 19°C dans le premier étage alors que l'air varie entre 20°C et 0°C. L'écart entre les deux bornes supérieures et les deux bornes inférieures est choisi afin de minimiser significativement les pertes thermiques liées aux écarts de températures aux évaporateurs. Pour le premier étage un mélange peut être composé de 50% en masse de R-134a et de 50% en masse de R-600. A une pression de 3 bar, le palier d'évaporation s'effectue entre -0,3°C et 18°C ce qui donne une température moyenne d'évaporation d'environ 9°C. En ce qui concerne le deuxième étage, la variation de température doit être comprise entre 40 et 60 degrés. Un mélange comprenant 50% en masse de C0 ₂ et 50% en masse de R-152a permet d'obtenir une température d'évaporation qui varie entre -41°C et -3°C et donc une température moyenne d'évaporation de l'ordre de -19°C.

De manière avantageuse, la compression en fin de cycle permet d'assécher l'air humide lorsque celui-ci est initialement à température ambiante. Dans le cas contraire, c'est-à-dire en effectuant une déshumidification après compression, il est nécessaire de fortement abaisser la température de l'air humide. En effet, pour de l'air à température ambiante c'est-à-dire 20°C comprimé à 8 bar, la température en sortie du compresseur est de 354°C. Par conséquent, il faut abaisser la température de plus de 200°C afin de seulement pouvoir condenser l'eau contenue dans l'air.

Les calculs suivants permettent de comparer la consommation énergétique d'un dispositif de déshumidification en fin de cycle avec une déshumidification en début de cycle.

La chaleur latente de condensation de l'eau à pression et température ambiantes (1 bar et 20°C) est d'environ 2250 kJ/kg.

La chaleur latente de solidification de l'eau dans ces mêmes conditions est d'environ 330 kJ/kg.

Les calculs sont effectués pour une déshumidification selon deux objectifs. Le premier est d'atteindre une humidité absolue dans l'air de 0,078 g _H 2o / kg _{air sec} . Cette humidité absolue correspond à une température de -40°C à pression atmosphérique et de -20°C à 8 bar. Le deuxième objectif est une humidité absolue de 0,0043 g _H 2o / kg _{air sec} correspondant à une température de -63°C à pression atmosphérique et -47°C à 8 bar.

I. Premier objectif : humidité absolue de 0,078 g _H ?o / kg _{air SRn} a) Déshumidification avant compression

La première étape consiste à abaisser la température dans le premier étage 2 de 20°C à 0°C. Ces calculs sont effectués pour une unité de masse.

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1.1. (20 - 0) = 20 kj/kg

Il faut donc apporter une énergie de 20 kJ / kg d'air à refroidir. Cette énergie sera dans ce qui suit, appelée énergie de refroidissement primaire.

A la sortie du premier étage 2, soit à une température d'environ 0°C et à pression atmosphérique, l'humidité absolue est d'environ 3,73 g H20 / kg air sec ^■

On calcule donc l'énergie nécessaire à la condensation pour la masse d'eau retirée pour une unité de masse d'air.

{ ^M eau _initiale ^~ M _eaufinale ).H _c = (10,21 - 3,73).10- ³ .2250 = 14,6 kj/kg où H _c correspond à l'enthalpie de condensation de l'eau.

Il faut donc apporter à température et pression constante, une énergie de 14,6 kJ par kilogramme d'air pour condenser l'eau. Cette valeur sera appelée dans ce qui suit énergie de condensation.

On calcule maintenant le coefficient de performance de la pompe à chaleur dans le premier étage. L'utilisation de fluides zéotropes permet d'obtenir un rendement exergétique de l'ordre de 0,6. 273

COP = .0,6 = 6,55

295 - 270

Le COP est de 6,55. La valeur 273 K correspond au 0°C que l'on cherche à atteindre. 295 K est la température d'air extérieur soit 20°C plus 2°C pour tenir compte de l'écart de température entre l'air et le mélange de fluide en train de se condenser. 270 K est la température de surface de 0°C moins 3°C prenant en compte l'écart de température entre le mélange qui s'évapore et l'air qui est refroidi. On calcule désormais la consommation spécifique. énergie de refroidissement préliminaire + énergie de condensation

= 5,27 kj/kg

COP

L'opération de condensation dans le premier étage consomme donc 5,27 kJ _é | ectrique / kg air sec.

On calcule maintenant la consommation énergétique dans le deuxième étage 3. Dans le deuxième étage 3 la température de l'air passe d'environ

0°C à environ -40°C.

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1.1. (0 - (-40)) = 40 kj/kg

Nous appelons cette énergie : énergie de refroidissement secondaire.

On calcule l'énergie pour solidifier l'eau contenue dans l'air. ( ^M eau _initiale ~ M _eaufinale ) . H _s = (3,73 - 0,078).10 ^"3 .330 = 0,97 kj/kg Nous appelons cette énergie : énergie de solidification. Nous calculons le COP du deuxième étage

233

COP =— — .0,6 = 2,15

295 - 230

La valeur 233 K correspond au -40°C que l'on cherche à atteindre. 295 K est la température d'air extérieur soit 20°C plus 2°C pour tenir compte de l'écart de température entre l'air et le mélange de fluide en train de se condenser. 230 K est la température de surface -40°C moins 3°C prenant en compte l'écart de température entre le mélange qui s'évapore et l'air qui est refroidi.

La consommation spécifique du deuxième étage 3 est de : énergie de refroidissement secondaire + énergie de solidification

= 19 kj/kg

COP

L'opération de condensation dans le deuxième étage consomme donc 19 kJélectrique / kg air sec.

Enfin, l'air est aspiré par le compresseur 34 principal à une température du -40°C et est refoulé à une température de 228°C. L'air comprimé à 8 bar doit être refroidi à une température de 130°C pour être utilisable. L'air est refroidi par ventilation et aéroréfrigérant avec un COP de 40 et une consommation de 101 kJ/kg. Ce refroidissement final consomme donc 101/40 = 2,5 kJ / kg.

La consommation totale est donc de 26,8 kJ / kg. b) Déshumidification après compression

Supposons qu'un compresseur aspire l'air initialement à température ambiante et à pression atmosphérique pour le comprimer à une pression de 8 bar. Dans ces conditions, l'air au refoulement du compresseur 34 principal sera comprimé à 8 bar et aura une température de 358°C. La première étape consiste donc à refroidir l'air par ventilation et aéroréfrigérant avec le COP considéré de 40. Ce refroidissement initial se fait jusqu'à une température de 20°C. L'humidité absolue à 20°C est de 1 ,8 g H20 / kg air sec ^■

Cette opération consomme :

1.1. (636 - 292) = 344 k] /kg

A 20°C et pour une pression de 8 bar, l'humidité absolue est de 1,8 g _H 2o / kg air sec- Par conséquent, durant cette étape de refroidissement initiale, une partie de l'eau se condense.

L'énergie consommée par cette condensation est calculée comme

(10,21 - 1,8) .10 ^"3 .2250 = 18,9 kj /kg L'énergie totale de cette étape initiale vaut :

344 + 18,9

= 9,1 kj/kg

40

Pour atteindre l'objectif annoncé d'une humidité absolue de 0,078, il suffit d'abaisser la température de l'air à -20°C lorsque la pression est de 8 bar.

Une première étape de refroidissement jusqu'à 0°C est opérée. La consommation est de :

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1.1. (20 - 0)

La condensation se fait avec une énergie de

(1,8 - 0,47).10 ^"3 .2250 = 3 k] /kg

Le COP du système frigorifique est de 273

ΊΠΓ = ⁰ · ⁶

La consommation spécifique pour refroidir jusqu'à 0°C est de :

23

3,5 k] 'électrique On calcule maintenant l'énergie spécifique pour atteindre -20°C.

L'énergie pour abaisser la température de 0°C jusqu'à -20°C est de 20 kJ/kg. L'humidité absolue à 0°C est de 0,47 g _H 2o / kg _{air sec.} L'énergie nécessaire pour solidifier chaque kilogramme d'air est de :

(0,47 - 0,078).10 ^"3 .330 = 0,13 k] /kg

Le COP du système frigorifique est de :

253

COP =— .0,6 = 3,37

45

L'énergie totale pour l'étape de solidification est de :

20 + 0,13 _

3~37 ^ éi _ec t _r iq _Ue / kg

Au total il faut donc 18,6 kJ _é iectrique / kg d'air pour atteindre l'objectif annoncé. La compression adiabatique a nécessitée 239,9 kJ/kg, et le rendement typique des compresseurs à air est de 0,7. Par conséquent la consommation réelle est de 239,9/0,7 = 342,7 kJ/kg.

A priori, il semble que la déshumidification après compression soit moins énergivore, toutefois c'est totalement l'inverse. Lorsque la température de l'air baisse, sa masse volumique augmente. Un plus grand débit d'air est donc traité. Le rapport des températures en Kelvin nous donne justement ce gain de débit masse : 293/233 = 1,26. Par conséquent à débit masse constant, le gain énergétique représente 26% soit 89 kJ/kg économisé pour 8,2 kJ/kg dépensé en plus. Globalement on économise ainsi 80,8 kJ/kg soit 23,5%. Autrement dit, en consommant 8,2 kJ / kg de plus, il est possible de traiter 26% de plus d'air ce qui est une véritable économie. Inversement pour la même quantité d'air traité, la consommation d'énergie quant à elle chute de 23,5 %.

II. Deuxième objectif : humidité absolue de 0,0043 g _H ?o / kg _{air SRn} c) Déshumidification avant compression

La première étape consiste à abaisser la température dans le premier étage de 20°C à 0°C. Ces calculs sont effectués pour une unité de masse.

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1 .1 . (20 - 0) = 20 kJ/kg

Il faut donc apporter une énergie de 20 kJ / kg d'air à refroidir. Cette énergie sera dans ce qui suit, appelée énergie de refroidissement primaire.

A la sortie du premier étage, soit à une température d'environ 0°C et à pression atmosphérique, l'humidité absolue est d'environ 3,73 g _H 2o / kg air sec ^■

On calcule donc l'énergie nécessaire à la condensation pour la masse d'eau retirée pour une unité de masse d'air :

( ^M eau _initiale ~ M _eaufinale ) .H _c = (10,21 - 3,73).10- ³ .2250 = 14,6 kJ/kg où H _c correspond à l'enthalpie de condensation de l'eau. Il faut donc apporter à température et pression constante, une énergie de 14,6 kJ par kilogramme d'air pour condenser l'eau. Cette valeur sera appelée dans ce qui suit énergie de condensation.

On calcule maintenant le coefficient de performance de la pompe à chaleur dans le premier étage. L'utilisation de fluides zéotrope permet d'obtenir un rendement exergétique de l'ordre de 0,6.

273

COP = .0,6 = 6,55

295 - 270 Le COP est de 6,55. La valeur 273 K correspond au 0°C que l'on cherche à atteindre. 295 K est la température d'air extérieur soit 20°C plus 2°C pour tenir compte de l'écart de température entre l'air et le mélange de fluide en train de se condenser. 270 K est la température de surface de 0°C moins 3°C prenant en compte l'écart de température entre le mélange qui s'évapore et l'air qui est refroidi.

On calcule maintenant la consommation spécifique. énergie de refroidissement préliminaire + énergie de condensation

= 5,27 kj/kg

COP

L'opération de condensation dans le premier étage consomme donc

5,27 kJélectrique / kg _a j _{r S} ec.

On calcule maintenant la consommation énergétique dans le deuxième étage.

Dans le deuxième étage la température de l'air passe d'environ 0°C à environ -63°C.

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1.1.(0 - (-63)) = 63 kj/kg

Nous appelons cette énergie : énergie de refroidissement secondaire. On calcule l'énergie pour solidifier l'eau contenue dans l'air :

( ^M eau _initiale ^~ M _eaufinale ) . H _s = (3,73 - 0,0043).10 ^"3 .330 = 1,23 kj/kg

Nous appelons cette énergie : énergie de solidification.

Nous calculons le COP du deuxième étage.

210

COP = .0,6 = 1,43

293 - 205

La consommation spécifique du deuxième étage est de énergie de refroidissement secondaire + énergie de solidification

= 44,9 kj/kg

COP

L'opération de condensation dans le deuxième étage consomme donc 44,9 kJ _é , ectrique / kg air sec.

Enfin, l'air est aspiré par le compresseur à une température de - 63°C et est refoulé à une température de 180°C. L'air comprimé à 8 bar doit être refroidi à une température de 130°C pour être utilisable. L'air est refroidi par ventilation et aéroréfrigérant avec un COP de 40 et une consommation de 50 kj/kg. Ce refroidissement final consomme donc 50/40 = 1,25 kJ/kg.

La consommation totale est donc de 51,4 kJ / kg. d) Déshumidification après compression

Supposons qu'un compresseur aspire l'air initialement à température ambiante et à pression atmosphérique pour le comprimer à une pression de 8 bar. Dans ces conditions, l'air au refoulement de compresseur sera comprimé à 8 bar et aura une température de 354°C. La première étape consiste donc à refroidir l'air par ventilation et aéroréfrigérant dont le COP considéré est de 40. Ce refroidissement initial se fait jusqu'à une température de 20°C. L'humidité absolue à 20°C est de 1 ,8 g H20 / kg air sec ^■

Cette opération consomme :

1.1. (627 - 293) = 334 k] /kg

A 20°C et pour une pression de 8 bar, l'humidité absolue est de 1,8 g _H 2o / kg air sec- Par conséquent, durant cette étape de refroidissement initial, une partie de l'eau se condense.

L'énergie consommée par cette condensation est calculée comme

(10,21 - 1,8) .10 ^"3 .2250 = 18,9 kj /kg L'énergie totale de cette étape initiale :

334 + 18,9

= 8,8 kj/kg

40

Pour atteindre l'objectif annoncé d'une humidité absolue de 0,0043, il suffit d'abaisser la température de l'air à -47°C lorsque la pression est de 8 bar.

Une première étape de refroidissement jusqu'à 0°C est opérée. La consommation est de :

Masse . C _p . (T _initiale - T _finale ) = 1.1. (20 - 0) La condensation se fait avec une énergie de (1,8 - 0,47).10 ^"3 .2250 = 3 kj /kg

Le COP du système frigorifique est de 273

-.0,6 = 6,55

25

La consommation spécifique pour refroidir jusqu'à 0°C est de

23

3,5 k] 'électrique

6,55 On calcule maintenant l'énergie spécifique pour atteindre -47°C.

L'énergie pour abaisser la température de 0°C jusqu'à -47°C est de 20 kJ/kg. L'humidité absolue à 0°C est de 47 g _H 2o / kg _{air sec.} L'énergie nécessaire pour solidifier chaque kilogramme d'air est de :

(0,47 - 0,0043).10 ^"3 .330 = 0,15 kj /kg Le COP du système frigorifique est de :

226

COP =— .0,6 = 1,88

L'énergie totale pour l'étape de solidification est de : 47 + 0,15

25,1 kj électrique I ^3

1,88

Au total il faut donc 37,4 kJ _é i _ec trique / kg d'air pour atteindre l'objectif annoncé.

La compression adiabatique a coûtée 239,9 kJ/kg, et le rendement typique des compresseurs à air est de 0,7. Par conséquent la consommation réelle est de 239,9/0,7 = 342,7 kJ/kg.

A priori, il semble que la déshumidification après compression soit moins énergivore, toutefois c'est totalement l'inverse. Lorsque la température de l'air baisse, sa masse volumique augmente. Un plus grand débit d'air est donc traité. Le rapport des températures en Kelvin nous donne justement ce gain : 293/210 = 1,395. Par conséquent à débit masse constant, le gain énergétique représente 39,5% soit 135,4 kJ/kg économisé pour 14 kJ/kg de plus dépensé. Globalement, on économise ainsi 121,4 kJ/kg soit 35,4%. Autrement dit, en consommant 14 kJ / kg de plus, il est possible de traiter 39,5% de plus d'air ce qui est une véritable économie. Inversement pour la même quantité d'air traité, la consommation d'énergie quant à elle chute de 35,4 %.