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Niveau école ingénieur
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Equilibre thermique de deux fluides

Posté par
TeslaN
21-09-17 à 12:32

Bonjour à tous !

Étant un jeune ingénieur en bureau d'études, je vous contacte suite à une recherche non fructueuse dans pas mal ouvrages sur le sujet. J'expose ma problématique, nous avons pour projet de remplacer une ancienne étuve par une plus moderne et pour se faire nous voulons passer sur un système de recyclage d'air sur la nouvelle. Le souci c'est que pour optimiser le dimensionnement des appareils interne à la machine il me faut faire des calculs de fluide à l'équilibre en fonction de la température et de l'hygrométrie.

J'explique en détail le système : actuellement, le système prend de l'air de dehors et est asservit pour avoir 28°C avec 60% d'hygrométrie à pression atmosphérique dans l'étuve pour faire évaporer de l'eau dans des bacs. On considère les bacs à la même température que l'air de l'étuve de par son fonctionnement permanent.
Ce qu'il me faudrait c'est dans le cas où l'on réinjecte une partie du flux sortant vers le flux entrant, calculer la température et l'hygrométrie finale d'un tel mélange.

Je ne demande évidemment pas un calcul tout fait mais simplement si vous avez une relation qui pourrait simplement me donner en fonction des deux températures et des hygrométries d'entrée une température et une hygrométrie du mélange à l'équilibre.
Je me débrouillerai par la suite pour calculer cette même valeur en fonction de la quantité de fluide à recycler.

J'espère avoir énoncé mon problème assez clairement, dans l'attente de votre aide,

Respectueusement,

Tesla

Posté par
vanoise
re : Equilibre thermique de deux fluides 22-09-17 à 00:21

Bonsoir
Dans un mélangeur,  la somme des produits  (débits massiques  x enthalpies  massiques) est la même en entrée et en sortie. Il y a aussi conservation du débit massique de la vapeur d'eau. Pour les enthalpies massiques:  un calcul approchée est possible en assimilant la vapeur d'eau à un gaz parfait dans la mesure où les pressions restent nettement inférieures à la dizaine de bars,  l'état de la vapeur étant thermodynamiquement éloigné de la saturation. Les premiers paragraphes de cette étude pourront peut-être t'aider:

Posté par
TeslaN
re : Equilibre thermique de deux fluides 22-09-17 à 08:35

Bonjour Vanoise,

Je vous remercie pour ce lien qui, je pense, pourra m'aider dans la résolution de mon problème !

Merci d'avoir pris le temps de me répondre.

Cordialement,

Tesla

Posté par
TeslaN
re : Equilibre thermique de deux fluides 22-09-17 à 12:35

Bonjour à tous c'est encore moi,

J'ai eu une idée pour peut-être simplifier le calcul de température à l'équilibre, comme les deux fluides ont la même capacité thermique (à hygrométrie semblable), pensez-vous qu'une pondération suffit pour trouver la température de sortie dans le cas où le mélange est homogène?

Exemple : si on recycle 80% de l'air à 28°C et que l'on prend seulement 20% de l'air extérieur qui se trouve à 16°C  est ce que par pondération (0.8*28+16*0.2) on peut dire que le mélange sera à 25.6°C?

Dans l'attente de vos réponses,

Cordialement,

Tesla

Posté par
vanoise
re : Equilibre thermique de deux fluides 22-09-17 à 22:30

Bonsoir
Ton message précédent contient beaucoup de bon sens et une grosse erreur...
Il est exact que la fraction molaire en vapeur d'eau reste ici toujours très faible. Donc, tant que cette vapeur reste sèche  (absence de liquefaction), il est possible de considérer l'enthalpie massique de l'air humide très peu différente de celle de l'air sec. Cela conduit à considérer l'enthalpie massique de l'air proportionnelle à sa température absolue quel que soit le degré hygrométrique.  Le raisonnement simplifié que tu as proposé est donc une approximation acceptable à condition de raisonner en kelvins et non en degrés Celsius.
PS. Une simple réflexion:  crois tu que faire passer la température de l'air de 1°C à 2°C puisse doubler l'enthalpie massique de cet air?

Posté par
vanoise
re : Equilibre thermique de deux fluides 23-09-17 à 09:45

Bonjour
Je me suis montré un peu sévère dans mon message précédent. L'enthalpie massique d'un gaz parfait est proportionnelle à la température absolue et non àcelle repérée dans l'échelle Celsius mais après simplification des calculs on obtient le résultat que tu as proposé.

Posté par
TeslaN
re : Equilibre thermique de deux fluides 25-09-17 à 09:24

Bonjour Vanois,

Dans le lien que vous m'avez proposé (très bon lien encore une fois) ils assimilent directement l'air humide comme un mélange de Gaz parfait, c'est ainsi que j'ai eu l'idée de pondération puisque comme vous le dites les enthalpies restent proportionnelle à la température. J'ai néanmoins fait une ENORME erreur en considérant l'unité de mesure de la température en Celsius et non en kelvins (évidemment pour les températures en°c négative ça marche moins bien...) ce qui est bon de me l'avoir fait rappeler.

En ce qui concerne "mon" approximation pour éviter le sur post je n'ai pas corrigé mon erreur de n'avoir pas précisé que ma pondération se faisait à hygrométrie similaire dans les deux gaz certes ! Mais surtout égal à 0 g /m3 ce qui pouvait me donner à cette condition seulement une base de réflexion issue des gaz parfaits correcte...
C'est pourquoi, si cette approximation est valable pour la température parce que la fraction molaire de la vapeur d'eau est très faible par rapport à l'air, l'est-elle aussi pour l'hygrométrie?

Exemple : Si 20% de l'air entrant contenant 9.55 g /m3 à 289,15 K (16°C) pour 70% d'hygrométrie se mélange aux 80% de l'air recyclé contenant 16.36 g /m3 à 301,15 K (28°C) pour 60%.

Par ces approximations, est-il bel et bien juste de faire dire que le mélange final sera donc : 9.55*0.2+16.360.8 = 14.998 g /m3 à 298.75 K (25.6°C) faisant 62,8% .

Dans l'attente de vous lire,

Tesla

Posté par
TeslaN
re : Equilibre thermique de deux fluides 25-09-17 à 09:25

Pardon d'avoir écorché votre pseudo ! J'ai envoyé mon message un peu trop vite...

Posté par
vanoise
re : Equilibre thermique de deux fluides 25-09-17 à 14:15

Toujours sous réserve d'une absence de liquéfaction de la vapeur d'eau, je suis d'accord avec ton calcul de pondération sur les concentrations massiques en vapeur d'eau.
J'ignore quelle table thermodynamique tu utilises pour obtenir  la correspondance entre cette concentration massique et le degré d'hygrométrie : en tout cas, celle en ma possession conduit exactement à tes résultats !
Bravo !

Posté par
TeslaN
re : Equilibre thermique de deux fluides 26-09-17 à 09:05

Je vous remercie pour votre aide sur cette problématique avec laquelle, sans vous, j'aurai surement encore ramé longtemps.
Avoir un appui pour certifier une démarche est toujours bon à prendre pour éviter de faire n'importe quoi. En ce qui concerne les tables d'hygrométries que j'utilise, elles sont issues du site web ci-après :



Je les utilise de par l'imprécision de lecture de certains diagrammes psychrométriques, de plus j'ai comparé les résultats avec une table thermodynamique empirique issue d'un vieux document interne à l'entreprise mais comme il datait un peu j'ai préféré assurer les valeurs avec une légère recherche internet. Ainsi je suis tombé sur le lien que je vous ai lié.

Merci encore et bonne continuation !

Tesla

Posté par
vanoise
re : Equilibre thermique de deux fluides 26-09-17 à 10:18

Merci pour le lien.



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