Soutenance mémoire
Rampe d’injection de vapeur saturée
Les rampes d’injection de vapeur sont installées dans les gaines de ventilation, ou dans les centrales de traitement d’air. Elles permettent de distribuer la vapeur saturée dans l’écoulement d’air. Il existe plusieurs types de rampes d’injection de vapeur qui peuvent être classifiées comme chemisées et non chemisées. Les rampes avec conduites de distribution de vapeur chemisées nécessitent l’apport de vapeur pressurisé. Ces rampes sont horizontales et préchauffées avant l’injection de la vapeur. Les rampes non chemisées peuvent être soit horizontales et inclinés ou verticales. La présente recherche sera réalisée uniquement avec l’utilisation de tubes verticaux de dispersion de vapeur. Elle est constituée d’un collecteur et de conduites verticales de dispersion de vapeur (CVDV). La vapeur saturée est acheminée au collecteur qui la distribue uniformément aux CVDV. Ces CVDV sont munies d’oeillets permettant à la vapeur d’être acheminée à l’écoulement d’air. Ces oeillets sont orientés horizontalement et perpendiculairement à la direction de l’écoulement d’air. Ils sont équidistants entre eux sur chaque côté des CVDV. Les rangés d’oeillets se faisant face, les oeillets sont intercalés de façon à maximiser la dispersion de la vapeur.
Pratique dans l’industrie La configuration de la rampe d’injection de vapeur doit prévenir toute accumulation de condensation de vapeur sur les surfaces internes de la conduite d’air. On qualifie de surface tout équipement CVCA ou composantes de la conduite d’air étant en contact avec l’air humidifié et perpendiculaire à son écoulement. Le processus d’absorption de la vapeur saturée par l’air est influencé par les paramètres de l’écoulement d’air, par le débit massique de vapeur saturée injectée et par la configuration de la rampe d’injection de vapeur. La vapeur étant injectée dans l’air en écoulement, son absorption par l’air évolue sur une certaine distance. De ce fait, si la distance disponible (sans présence d’équipement ou parois de conduite) en aval de la rampe d’injection n’est pas suffisante, la vapeur injectée condensera sur les surfaces et l’accumulation de cette condensation entrainera évidemment une détérioration prématurée de l’équipement CVCA mouillé.
La distance minimum sans accumulation de condensation (DMSAC) est définie comme étant la distance en aval de la rampe d’injection de vapeur à laquelle aucune composante du système CVCA ne pourra être mouillée par la vapeur condensée. Dans l’industrie de l’humidification, certains manufacturiers de rampes d’injection de vapeur saturée publient des prédictions de DMSAC. Ces prédictions sont fonction de l’augmentation de l’humidité relative de l’air ainsi que de la configuration de la rampe d’injection de vapeur donc indirectement de l’entraxe entre chaque conduite verticale de dispersion de vapeur (CVDV). L’entraxe entre ces CVDV est le paramètre contrôlant la qualité de la dispersion de la vapeur. La configuration de la rampe d’injection est le seul paramètre dont dispose le manufacturier de rampe d’injection afin de modifier la DMSAC, les autres paramètres étant imposés par la conception du système CVCA tels le débit massique de vapeur et d’air ainsi que l’espace disponible en aval de la rampe d’injection (qui doit être supérieur à la DMSAC). En pratique, les utilisateurs doutent de la validité de ces prédictions car il est courant d’observer de la condensation sur des surfaces en aval de la rampe d’injection. Les prédictions sont disponibles mais aucunement documentées, pour cause de secret industriel. Dans l’industrie, les devis spécifient une température de l’air de 12,8 °C (55 °F) dans les gaines de ventilation et dans les centrales de traitement d’air. La vitesse de l’écoulement d’air dans les centrales de traitement d’air est généralement autour de 2,54 m/s (500 ppm) afin de réduire la perte de pression due aux filtres et aux serpentins et aussi pour atténuer l’entrainement de la condensation, formée sur les serpentins de climatisation, par l’écoulement d’air.
Contrôle du débit massique de vapeur injectée (RHs, Ws)
Le débit massique de vapeur injectée est contrôlé par la valve de contrôle de débit de vapeur de l’humidificateur. Afin de maintenir ce débit constant, le débattement de la valve de contrôle de vapeur et la pression de vapeur en amont de cette valve doivent être maintenus constants. La capacité de vapeur générée par la chaudière doit toujours être légèrement supérieur à celle injectée afin de pallier les pertes par transfert de chaleur à travers les conduites et d’éviter une baisse de pression en amont de la valve de contrôle de vapeur due au remplissage de la chaudière en eau froide. La pression de vapeur générée est sujette à une variation de pression en raison de la plage de pression d’opération de la chaudière. La chaudière est ajustée de sorte que la pression de vapeur générée oscille entre 138 kPa et 276 kPa (20 PSI et 40 PSI). La chaudière démarre lorsque la pression atteint 138 kPa (20 PSI) et s’éteint lorsque la pression atteint 276 kPa (40 PSI). Des essais préliminaires ont été réalisés avec un régulateur de pression de vapeur mais les résultats démontrent qu’une pression de vapeur de 103 kPa (15 PSI) en aval de celui-ci et en amont de la valve de contrôle du débit de vapeur ne peut être maintenue constante avec une telle variation de pression en amont du régulateur. Afin de maintenir la pression de vapeur constante en amont de la valve de contrôle de vapeur un manomètre, servant de lecture de pression, ainsi qu’une valve à bille manuelle sont installés en amont de la valve de contrôle de vapeur tel qu’illustré sur la Figure 6.5. La variation est principalement causée par le remplissage en eau froide de la chaudière. De plus, l’expérimentateur peut à tout moment faire varier la pression de vapeur en amont de la valve de contrôle de vapeur avec la valve à bille manuelle. En résumé, la valeur de RHs visée est maintenue constante (à ± 0.5%RH) lors des tests en maintenant constante la pression en amont de la valve de contrôle de vapeur, la capacité de vapeur injectée étant contrôlée par l’ouverture de celle-ci.
Critère d’isoplèthes de la DMSAC monotones à pente positive
En analysant les courbes isoplèthes de la DMSAC sur le graphique de la Figure 9.3, la même DMSAC est associée à deux valeurs de Ws pour la même valeur de We. Durant les mêmes conditions expérimentales, il est physiquement impossible d’obtenir la même DMSAC pour différentes variations de l’humidité spécifique car l’augmentation du débit massique de vapeur entraine nécessairement une augmentation de la DMSAC. Les isoplèthes de la DMSAC en fonction de We et Ws doivent donc être monotones, c’est-à-dire que la polarité de leurs pentes ne varie pas sur la plage de valeur des humidités spécifiques possibles, et positives. Le critère d’isoplèthes à pente positive de la DMSAC en fonction de We et Ws est donc imposé. En guise d’exemple, deux fonctions dont les résultats sont présentés à la Figure 9.3 et à la Figure 9.4 ont été obtenus par le critère des moindres carrés à partir des mêmes données. En examinant les courbes isoplèthes de la DMSAC de la Figure 9.3, leurs significations n’est pas physique puisque pour les mêmes valeurs de Ws et de DMSAC, différentes valeurs de We peuvent être associées, alors que, pour les mêmes conditions expérimentales, une variation du débit massique de vapeur injectée doit nécessairement faire varier la DMSAC.
L’humidification isotherme de l’air nécessite l’injection de la vapeur saturée dans une conduite de ventilation. La condensation de cette vapeur, lorsqu’accumulée, peut mouiller et endommager les équipements CVCA. Les rampes d’injection de vapeur doivent être conçues afin d’éviter l’accumulation de la condensation de la vapeur à l’intérieur de la conduite de ventilation. La présente étude a permis de quantifier la distance, en aval de la rampe d’injection de vapeur, à partir de laquelle aucune surface ne pourra être mouillée. Cette distance, la DMSAC, est fonction de l’humidité de l’air avant humidification, de l’humidité de l’air humidifié et de la configuration de la rampe d’injection soit l’entraxe entre les CVDV. Suite aux essais expérimentaux, un modèle de prédiction de la DMSAC a été réalisé. L’étude ayant été réalisée à température d’air avant humidification de 12.8°C (55°F) et à une vitesse de 2.54 m/s (500 ppm), les prédictions ne sont valables que pour ces mêmes conditions. Ce modèle permettra de concevoir les rampes d’injection de vapeur selon la distance disponible en aval de celle-ci, les humidités de l’air et les paramètres d’humidification. Le modèle de prédiction comporte certaines limitations et des recommandations sont formulées afin que de futurs travaux de recherche améliorent sa précision.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 HUMIDIFICATION
1.1 Quel est le besoin : pourquoi humidifier
1.2 Processus d’humidification
1.2.1 Humidificateur isotherme
1.2.2 Humidification de l’air dans un conduit d’air
1.2.3 Pratique dans l’industrie
CHAPITRE 2 DÉROULEMENT DE L’ÉTUDE
2.1 Objectif
2.2 Méthodologie
2.2.1 Essais préliminaires d’injection de vapeur dans une gaine de ventilation
2.2.2 Établir un plan d’expériences
2.2.3 Concevoir un banc d’essai
2.2.4 Réaliser les essais expérimentaux
2.2.5 Analyse des résultats et élaboration de l’algorithme de prédiction de la DMSAC
CHAPITRE 3 ANALYSE PRÉLIMINAIRE DU PHÉNOMÈNE D’INJECTION DE VAPEUR SATURÉE DANS UNE CONDUITE DE VENTILATION
3.1 DMSAC
3.2 Homogénéité de l’écoulement d’air humidifié
CHAPITRE 4 HYPOTHÈSES QUANT AUX PRINCIPAUX PARAMÈTRES INFLUENÇANT LA DMSAC
4.1 Humidité de l’air (RH, W)
4.2 Température de l’air
4.3 Vitesse de l’écoulement d’air
4.4 Rampe d’injection de vapeur saturée
4.4.1 Qualité de dispersion de vapeur de la rampe d’injection
CHAPITRE 5 PLAN D’EXPÉRIENCES
5.1 Cadre et limitations de l’étude
5.1.1 Écoulement d’air
5.1.2 Configurations des rampes d’injection de vapeur: entraxes entre les CVDV
5.1.3 DMSAC
5.2 Plan d’expériences
CHAPITRE 6 RÉALISATION DE L’ÉTUDE : ÉQUIPEMENTS CVCA ET OPÉRATIONS
6.1 Équipement CVCA: le banc d’essai
6.1.1 Généralités
6.1.2 Composantes mécaniques du banc d’essai
6.2 Instrumentation
6.2.1 Capteurs
6.2.2 Mesure de la vitesse de l’écoulement d’air
6.2.3 Contrôle des conditions expérimentales
CHAPITRE 7 MÉTHODE EXPÉRIMENTALE
7.1 Généralités
7.2 Procédure expérimentale
7.2.1 Ajustements initiaux
7.2.2 Préparation pour la prise d’une donnée expérimentale
CHAPITRE 8 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
8.1 Rampe E3
8.2 Rampe E6
8.3 Rampe E8
8.4 Rampe E12
8.5 Rampe E24
CHAPITRE 9 ALGORITHME DE PRÉDICTION DE LA DMSAC
9.1 Étape de conception de l’algorithme
9.2 Construction de la base de données
9.2.1 Regrouper les données expérimentales selon la rampe
9.2.2 Choix des données expérimentales utilisées pour les régressions
9.2.3 Base de données
9.3 Méthode de régression
9.3.1 Outil de régression
9.3.2 Critères de régression
9.4 Choix des régressions
9.4.1 Présélection des types de fonction
9.4.2 Familles de fonctions présélectionnées
9.5 Résultats de régression
9.5.1 Présentation des résultats
9.6 Analyse des régressions de la DMSAC des fonctions présélectionnées
9.6.1 Rampe E3
9.6.2 Rampe E6
9.6.3 Rampe E8
9.6.4 Rampe E12
9.6.5 Rampe E24
9.6.6 Comparaison des moyennes quadratiques, maximums et minimums des erreurs absolues
9.7 Modèle de prédiction de la DMSAC
9.7.1 Famille de fonction retenue
9.7.2 Précision du modèle de prédiction
9.7.3 Analyse des causes d’écarts entre les DMSAC calculées et mesurées
9.7.4 Analyse des résultats de prédiction de la DMSAC
CHAPITRE 10 APPLICATION DU MODÈLE DE PRÉDICTION DE LA DMSAC À LA CONCEPTION DES RAMPES D’INJECTION DE VAPEUR
10.1 Calcul du nombre de CVDV requises
10.2 Disposition des oeillets sur les CVDV
CHAPITRE 11 LIMITATIONS ET SOURCES D’ERREURS DU MODÈLE
11.1 Condition d’utilisation
11.2 Sources d’erreurs des prédictions de la DMSAC
11.2.1 Erreurs de mesure
11.2.2 Rampe d’injection
11.2.3 Fidélité du modèle de prédiction de la DMSAC par rapport aux données expérimentales
CHAPITRE 12 RECOMMANDATIONS
12.1 Banc d’essai
12.1.1 Équipement CVCA
12.1.2 Instrumentation et mesure
12.2 Calibration du banc d’essai
12.2.1 Mesure du débit de vapeur injectée
12.2.2 Calcul du débit massique de vapeur injectée
12.3 Taille de l’échantillonnage
12.4 Régressions
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
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