le vrai_New1 - IUT des Pays de l'Adour - Université de Pau et des ...

Mathias CLAMENS Université de Pau et des Pays de l’Adour
Kevin MAKOSSO IUT Génie Thermique et Energie
Wivine MENGUE Année 2008-2009
Renaud MOUKOKO
TUTEURS :
Jean BATINA
Serge BLANCHER
PROJET N°0802
MISE AU POINT D’UN TP ECHANGEUR
DIPHASIQUE
Problématique :
RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT D’UNE STRUCTURE
AUTONOMECAPABLE DE CONDENSER
L’EAU CONTENUE DANS L’AMBIANCE
Projet n°0802

Remerciements
Tout d’abord, nous tenons à remercier nos tuteurs, Monsieur Jean Batina et
Monsieur Serge Blancher pour nous avoir soutenus tout au long de ce projet.
Nous tenons également à remercier Madame Alaphilippe et Monsieur Kosnar et
Mademoiselle Edith pour nous avoir fournir les instruments de mesure, mais
aussi monsieur Jean-Luc Saubatte pour nous avoir aidés à la conception de notre
maquette.
De même nous remercions le chef de département Monsieur Youssef Zéraouli,
pour nous avoir guidés tout au long de notre réflexion sur l’ensemble du projet
mais également sur le développement de notre étude théorique.
Nous tenons aussi à remercier Monsieur Pascal Stouffs, Monsieur Thierry
Galiay, Monsieur Daniel Vidou, pour leurs nombreuses sources et coopérations
enrichissantes.
Nous remercions enfin Monsieur Irigoin, de la société Climénergie.
Projet n°0802

Résumé
Nous avons choisi un sujet traitant de la condensation de l’humidité présente
dans l’atmosphère, ayant pour aboutissement, l’élaboration d’un TP sur un
échangeur diphasique. Les étudiants de l’an dernier qui avaient en charge ce
projet ont mis au point une maquette permettant de mettre en évidence le
phénomène de condensation. Nous avons repris cette dernière et l’avons
modifiée afin d’améliorer ses performances. Pour se faire nous sommes rentrés
en contact avec de nombreuses personnes (enseignants, chercheurs, ou encore
techniciens) et entreprises.
Partageant la volonté de nos prédécesseurs, qui était d’implanter un système
similaire à notre maquette dans les pays en voie de développement, notamment
les pays en milieu désertique, nous avons réalisé une étude théorique permettant
de mettre en évidence la faisabilité du système. Nous espérons que ce projet sera
repris et approfondi par nos successeurs, qu’ils auront la même volonté que nous
et auront la possibilité de réaliser un prototype basé sur nos données.
Abstract
Our project deals with the condensation of humidity present in the atmosphere,
whose outcome is the development of a lab project on an exchanger. Students
from the preceding year who working on this project realized a model of
allowing us bring to light the concept of condensation. Using this model, and
modified it to improve its efficiency. In order to do this, we worked with
numerous persons (teachers, researchers, and technicians) and enterprises.
Sharing the will of our predecessors, which was to implant a system similar to
our model in developing countries, notably in desert regions, a theoretical study
was accomplished putting in perspective feasibility of our system. We hope that
our project will re-used and improved by future students, that they’ll share the
same will as us and they’ll be able to realize a better model based on our data.
Projet n°0802

SOMMAIRE
Introduction .............................................................................................................................................................. 5
1. La rosée
1.1. Qu’est ce que la rosée ? .................................................................................................................................. 6
1.2. Quelles sont les conditions idéales pour l’apparition de la rosée ? ................................................................. 6
1.3. Comment se forme-t-elle ? ............................................................................................................................. 6
1.4. Qu’est ce que le point de rosée ? .................................................................................................................... 6
1.5. Peut-on provoquer la formation de la rosée ? ................................................................................................. 7
1.6. Peut-on récupérer la rosée produite par le condenseur ? ................................................................................. 7
1.7. Quelques exemples de récupération de l’eau grâce à la condensation de la rosée. .......................................... 7
2. Humidité et condensation
2.1. Quelques définitions………………………………………… ...................................................................... 10
2.2. Humidité de l’air et condensation de la vapeur d’eau................................................................................... 11
2.3. Humidité relative et condensation de la vapeur d’eau……………………… ............................................... 12
2.4. Quelques expériences permettant d’observer la condensation de la vapeur d’eau… ................................... .12
3. Construction
3.1. Pré-réalisation théorique………………………………………………………………. ............................... 14
3.2. Source froide………… .............................. ………………………………………………………………...14
3.3. Source chaude ................................................................................................................................................ 15
3.4. Débit d’eau dans le circuit ............................................................................................................................. 17
3.5. Electricité....................................................................................................................................................... 17
3.6. Maquette dans sa globalité ............................................................................................................................ 18
4. Elaboration du TP
4.1. Description de l’appareil. .............................................................................................................................. 20
4.2. Caractéristiques des différents éléments. ....................................................................................................... 20
4.3. Rappels à propos de la condensation : transfert de chaleur par condensation. .............................................. 22
4.4. Trame du TP. ................................................................................................................................................. 24
4.5. Essais d’explications. .................................................................................................................................... 25
4.6. Conclusion ..................................................................................................................................................... 26
5. Solution pour subvenir aux besoins des populations en zone aride
5.1. Laâyoune ....................................................................................................................................................... 27
5.2. Principe de fonctionnement ........................................................................................................................... 30
5.3. Etude théorique .............................................................................................................................................. 32
5.4. Alimentation .................................................................................................................................................. 38
Conclusion ................................................................................................................................................................ 40
Projet n°0802

Introduction
Notre sujet traite du phénomène de condensation de l’eau. En effet nous allons
étudier la condensation de la vapeur d’eau en enceinte confinée et en convection
naturelle.
Mais tout d’abord, il nous faut préciser qu’aujourd’hui le terme condensation est
utilisé de manière erronée. C’est un abus de langage qui s’est glissé dans la
langue française et demeure encore aujourd’hui. Effectivement la condensation
de l’eau représente son passage de l’état de vapeur à l’état solide. Le terme
exact représentant le passage de l’eau, de l’état de vapeur à l’état liquide est la
liquéfaction.
Néanmoins cette utilisation étant d’usage, nous la conserverons tout au long de
ce sujet. Pour mener à bien notre analyse, nous avons repris la maquette établie
par nos prédécesseurs et l’avons modifiée. Notre étude a pour objectif d’établir
un TP sur un échangeur diphasique.
Nous savons que l’eau est un élément vital pour les hommes et pourtant bien des
populations en sont encore privées aujourd’hui. Voulant venir en aide à celles-ci
et animés par un sentiment de curiosité, nous nous sommes demandés si notre
modèle pourrait s’appliquer aux conditions désertiques et produire une quantité
d’eau suffisante pour alimenter une famille.
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1. La rosée
1.1. Qu’est-ce que la rosée ?
La rosée est le résultat de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air. Elle apparaît
sous forme de gouttelettes et se dépose le soir et le matin sur les végétaux et sur d’autres corps
exposés à l’air libre quand la température du sol ou d’une toute autre surface baisse au point
de déclencher la condensation de la vapeur d’eau contenue dans la couche d’air voisine.
1.2. Les conditions idéales pour l’apparition de la rosée.
Les conditions idéales d’apparition de la rosée sont :
• Un air humide près du sol
• Un faible degré d’humidité de la couche d’air supérieur
• Un vent calme (moins de 5km/h)
• Une nuit claire et calme
En effet, l’absence de nuage et de vent permet un fort rayonnement et un refroidissement
important jusqu’au point ou la vapeur d’eau contenue dans l’air se condense. Les gouttelettes
de rosée se forment alors sur toutes les surfaces froides. En été, ce refroidissement n’est
parfois pas assez important et l’humidité est trop faible pour permettre à la rosée de se
déposer.
1.3. Comment la rosée se forme-t-elle ?
L'air qui nous entoure, même lorsqu'il est relativement sec, contient un certain pourcentage de
vapeur d'eau. Par exemple, l'air est à une température T et une pression P, et la pression
partielle de la vapeur à l'intérieur de cet air est p (par exemple elle vaut 1000 Pa). L'eau
présente à l'intérieur de l'air reste à l'état gazeux tant que sa pression partielle est inférieure à
la "pression de vapeur saturante", que nous noterons ici Pv. Si l'on met cet air en contact avec
un objet très froid, les couches d'air en contact avec cet objet vont se refroidir... Or, la
pression de vapeur saturante n'est pas invariante, elle dépend de la température.
1.4. Qu’est ce que le point de rosée ?
Le point de rosée est une donnée météorologique calculée à partir de l’humidité, la pression et
la température.
Le point de rosée de l’air est la température à laquelle, tout en gardant inchangées les
conditions barométriques courantes, l’air devient saturé de vapeur d’eau. Elle peut aussi être
définie comme la température à laquelle la pression de vapeur serait égale à la pression de
vapeur saturante.
C’est le phénomène de condensation qui survient lorsque le point de rosée est atteint, qui crée
les nuages, la brume et la rosée en météorologie. La condensation atteint de la même manière
les parois des bâtiments.
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C’est la capacité hygrométrique qui détermine les phénomènes de saturation. Lorsque la
température augmente, la capacité hygrométrique augmente, et ce inversement. Plus il fait
froid, moins l’air permet de déterminer l’hygrométrie relative.
1.5. Peut-on provoquer la formation de la rosée ?
Certes, si on met un verre au frigo et qu'on le place dans une atmosphère suffisamment
humide, on verra la formation de buée sur ce verre... mais comment le sol se refroidit-il
pendant la nuit suffisamment pour provoquer la formation de la rosée? Peut-on provoquer ce
phénomène ou l'amplifier?
La Terre, pendant la journée, est réchauffée par le rayonnement du Soleil. Son refroidissement
pendant la nuit se fait par rayonnement : tout corps émet (cf. article sur le rayonnement du
corps noir) une certaine quantité de rayonnement, principalement dans l'infrarouge en ce qui
concerne la Terre. Si cette perte radiative est compensée par les rayonnements reçus, la Terre
reste à la même température, tandis que si le bilan radiatif global fait état de plus de pertes que
de rayonnement reçu, par exemple, elle se refroidit (c'est ce qui se passe durant la nuit).
L'objectif d'un "condenseur de rosée", destiné à condenser le maximum de rosée possible, est
donc de se refroidir le plus possible durant la nuit par rayonnement.
Les calculs théoriques montrent que la quantité d'eau ainsi produite ne peut pas excéder 1 litre
par m 2 et par nuit. Cela peut sembler "peu" : si l'on distille de l'eau de mer pour la dessaler en
utilisant l'énergie solaire, le rendement est certes meilleur, cependant, selon la région
concernée (bord de mer ou région désertique), l'obtention d'eau à partir de rosée peut être une
source alternative d'eau potable intéressante...
1.6. Peut-on récupérer la rosée produite par le condenseur de rosée et quels y sont
les conditions ?
La rosée produite peut être collectée à condition que les petites gouttelettes de rosée
s'agglutinent pour former des gouttes plus grandes et glissent le long du condenseur de rosée
jusqu'à l'endroit où on récolte l'eau ainsi produite. Les plaques sur lesquelles se condense la
rosée sont ainsi inclinées de façon à collecter l'eau ainsi produite.
1.7. Quelques exemples de récupération de l’eau grâce à la condensation de la
rosée.
• Eau de rosée et brume
A la différence des plantes et des animaux, toutefois, l'homme ne va pas seulement
bénéficier du résultat du phénomène de rosée, il va agir pour en accentuer l'effet. Par exemple,
dans les déserts de pierre, l'homme se servira de l'inertie thermique importante des pierres. Il
les entassera de sorte qu'elles se refroidissent pendant la nuit. Au petit matin, l'air se réchauffe
rapidement, tandis que les pierres restent à une température peu élevée, en raison de leur
grande inertie thermique. Les pierres débarrassées de leur poussière permettront de récupérer
une certaine quantité d'eau. Cette dernière sera d'autant plus abondante que la nuit aura été
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froide, c'est-à-dire surtout en hiver, dans les déserts où il y a une variation saisonnière
significative des températures. La condensation sera d'autant plus productive que
l'hygrométrie nocturne est plus élevée. L'idéal est d'entasser ces pierres dans un entonnoir
creusé dans le sable et tapissé d'une feuille de plastique au fond duquel la rosée s’égouttera.
Le phénomène de rosée est aussi utilisé dans ce qu'on appelle des condenseurs.
Figure 1 : Un condenseur : des gouttes d'eau viennent se former sur les condenseurs plus
froids que l'air
Figure 2 : Un condenseur de rosée de l'association Opur, photo prise en Corse
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Les phénomènes de rosée et de brume sont très similaires. Ce sont des fines
particules d'eau en suspension dans l'air qui viennent se condenser sur un support plus froid
que l'atmosphère.
Pour la brume, on utilise des « filets à nuages ». La brume est piégée dans les
petites mailles du filet et elle se condense, formant ainsi des petites gouttes.
Figure 3 : Un filet à nuages
Les filets sur l'image sont situés à El Tofo au Chili, et malgré l'absence de désert, ce lieu est
l'un des plus secs au monde. Avant la mise en place de ces filets, la consommation moyenne
d'eau par personne et par jour était de 3 l/personne/jour. Maintenant, elle est de 4.5
l/personne/jour. (A titre de comparaison, la consommation moyenne en France est de 250
l/personne/jour.)
Toujours grâce à la condensation et à l'évaporation, il est aussi possible de récupérer
de l'eau dans les déserts de la manière suivante :
- Il faut creuser un trou peu profond dans le sable, on fond duquel on place un
récipient.
- On tend au dessus du trou un plastique que l'on troue en son centre et qu'on leste
de part et d'autre du trou. En détendant légèrement le plastique, il doit se former un cône
pointant vers le récipient.
Durant la nuit, l'eau contenue dans l'air va venir se condenser sur le plastique pour
former de petites gouttelettes qui vont s'écouler dans le récipient.
• Humidité du sol
Il ne s'agit plus là de la condensation qui intervient de toute façon même en l'absence
d'intervention humaine, mais de celle que l'homme peut provoquer à partir d'un simple
morceau de plastique transparent. Il met à profit pour cela la fraîcheur relative qui règne
toujours à quelques dizaines de centimètres sous la surface surchauffée du sable et
l'irradiation solaire. Cette dernière fait évaporer le peu d'humidité qui vient se condenser
sur la partie inférieure de la toile de plastique, tendue en entonnoir au-dessus du trou par
un caillou.
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Figure 4 : Puits de rosée
La quantité d'eau que l'on est en droit d'espérer d'un tel système est de l'ordre de 1 à 1,5 l par
24 heures. On pourra améliorer ces performances en disposant à l'intérieur de la fosse des
éléments végétaux, toujours riches en eau. Plus le terrain choisi sera foncé, plus il absorbera
de chaleur et restituera de son eau. Un tuyau souple permet d'aspirer l'eau contenue dans le
récipient sans avoir à démonter l'installation. Un système comparable permet de recueillir
l'eau de rosée sous réserve d'avoir perforé le fond de l'entonnoir.
2. Humidité et condensation
2.1. Quelques définitions
-Hygrométrie : l’hygrométrie est l’étude et la mesure du degré d’humidité de l’air.
-Hygromètre : appareil servant à mesurer le degré d’humidité de l’air.
-Degré hygrométrique de l’air : c’est le rapport entre la pression de la vapeur dans l’air et la
pression de vapeur saturante.
-Vapeur saturante : on parle de vapeur saturante lorsque la vaporisation d’un liquide cesse et
que la pression de la vapeur qui surmonte ce liquide atteint une valeur qui dépend de la
température.
-Vaporisation : elle se produit avec absorption de chaleur, soit par refroidissement, soit par
apport de chaleur.
-Pression de vapeur saturante : c’est la pression partielle de la vapeur d’un corps pur à partir
de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide ou solide. On dit aussi que c’est
la pression maximale de sa vapeur « sèche », c'est-à-dire sans phase liquide.
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Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur saturante d’une
substance, les phases gazeuse, liquide ou solide sont en équilibre.
Si la pression partielle de la vapeur dépasse la pression de vapeur saturante, il y a donc
liquéfaction ou condensation. A partir d’une situation d’équilibre, cela peut se faire en
augmentant la pression partielle de vapeur (par exemple en diminuant le volume), ou bien en
diminuant la pression de vapeur saturante, c'est-à-dire en diminuant la température.
Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est supérieure à celle du solide,
le liquide se vaporisera mais la vapeur se condensera en un solide, c'est-à-dire que le liquide
gèlera.
Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est inférieure à celle du solide,
le solide se vaporisera mais la vapeur se condensera en liquide, c'est-à-dire que le solide
fondra.
A la température à laquelle les deux pressions de vapeur sont égales, il existe un équilibre
entre les phases solides et liquides. Cette température est mentionnée comme le point de
fusion.
-Pression de vapeur saturante de l’eau dans l’air : la pression de vapeur saturante de l’air
humide représente la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air peut contenir. Elle
augmente avec la température.
-Condensation : La condensation est le processus par lequel la vapeur d'eau dans l'atmosphère
est retournée à son état liquide initial. Dans l'atmosphère, la condensation s’applique aux
nuages, au brouillard, à la brume, à la rosée ou au gel, elle dépend des conditions physiques
de l'atmosphère. La condensation n'est pas une question de température en particulier mais
d'une différence entre deux températures. La condensation de la vapeur d'eau se produit quand
la température de l'air est abaissée à son point de rosée.
-Condenseur : appareil permettant par refroidissement de faire passer une substance de l’état
gazeux à l’état liquide.
-Humidité : c’est la quantité d’eau sous forme de vapeur contenue dans l’air ambiant.
-Humidité de l’air : elle est liée à la proportion d’eau sous forme de vapeur dans un mélange
air-eau
-Humidité relative de l’air ou degré hygrométrique de l’air : c’est le rapport de la pression
partielle de la vapeur d’eau à la pression de vapeur saturante.
2.2. Humidité de l’air et condensation de la vapeur d’eau
L’humidité de l’air est liée à la proportion d’eau sous forme de vapeur dans le mélange
gazeux air-eau.
Si l’eau était à la pression atmosphérique Patm, elle se condenserait à T=100°C.
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Comme elle est mélangée à l’air, elle possède une pression partielle inférieure à 1atm et la
température à laquelle elle se condense est plus petite que la température de condensation ou
d’ébullition normale 100°C.
Donc, pour une température ambiante donnée, la vapeur d’eau se condensera si et seulement
si sa pression augmente suffisamment pour devenir égale à la pression de vapeur saturante qui
dépend uniquement de cette température ou; si la pression partielle de l’eau ne change pas, la
condensation se produira lorsque la température descendra suffisamment pour atteindre la
température du point de rosée.
2.3. Humidité relative et condensation de la vapeur
L’humidité relative est maximale (100%) lorsque la quantité de vapeur d’eau est telle que sa
pression partielle est égale à sa pression saturante. Ainsi, lorsque la pression partielle de la
vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante, la vapeur d’eau se condense partout
et on a l’impression que l’air est lourd.
Pour diminuer l’humidité, il faut chauffer l’air ambiant lorsqu’il fait froid.
Lorsqu’on chauffe l’air ambiant, la pression de vapeur saturante augmente (elle augmente
avec la température) et on constate que la pression partielle de vapeur devient très inférieure à
la pression de vapeur saturante. Ce qui conduit à un retard de condensation.
Dans notre projet, on considère qu’il fait chaud et humide (chaleur apportée par la plaque et
humidité apportée par la vapeur d’eau).
Lorsqu’il fait chaud et humide, il faut une source froide pour permettre le rafraîchissement de
l’air ambiant. Bien sûr il faut prévoir un moyen pour récupérer l’eau condensée. En
rafraîchissant l’air ambiant, la température diminue et finie par atteindre la température de
rosée. L’eau se condense alors et débarrasse ainsi l’air de cet excès d’eau. Le système
récupérant est évidemment en un endroit fixe. C’est la raison pour laquelle on doit faire
circuler l’air ambiant dans un appareil ou il se débarrasse de son eau : c’est l’un des principes
des climatiseurs ; le refroidissement étant obtenu par échange thermique avec l’extérieur
chaud selon le principe de la pompe à chaleur.
2.4. Quelques expériences permettant d’observer la condensation de la vapeur d’eau
contenue dans l’air humide
• La vapeur d’eau est initialement produite par ébullition d’eau. La vapeur d’eau sortant du
ballon est d’abord invisible, puis en contact avec l’air ambiant (A et C) ou chauffe (B) elle se
condense sous forme d’un nuage d’autant plus dense que la température extérieure est basse.
• La condensation se produit aussi lorsque le jet de vapeur sortant du ballon (A) est dirigé
vers une boîte métallique remplie de glace et sortant d’un congélateur (B’), il se forme alors
un nuage beaucoup plus abondant que dans le cas précédent ; confirmant ainsi que le
phénomène de condensation est d’autant plus important et visible que la température de l’air
est basse.
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• On observe aussi ce phénomène refroidissant un récipient rempli d’eau en y ajoutant
successivement des morceaux de glace jusqu’à observer la condensation sur la paroi externe
de la vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant.
Figure 5 : Expérience 1
Figure 6 : Expérience 2
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3. Construction
3.1. Pré-réalisation théorique
Avant d’aborder la réalisation de notre maquette à proprement parler, nous avons d’abord
étudié celle de nos prédécesseurs afin de déterminer les améliorations possibles. Son
fonctionnement est clair : de l’eau refroidie par son passage dans un bac à glaçons circule en
circuit fermé. Elle passe par un serpentin autour duquel est envoyée de la vapeur d’eau issue
d’une centrale à vapeur. Celle-ci se condense au contact du serpentin refroidi par l’eau, et est
récupérée dans un verre gradué.
Figure 7 : Serpentin et verre gradué figure 8 : schéma de principe
3.2. Source froide
Les glaçons constituant la source froide ont comme désavantage de fondre relativement
rapidement, ils nécessitent donc d’être constamment renouvelés. Nous avons alors jugé utile
de changer cette source froide ; ainsi nous avons choisi d’utiliser une machine frigorifique
ayant servi de TP il y a une dizaine d’années. Le froid nécessaire à la condensation serait
donc fourni par cette machine, et l’eau maintenue à basse température n’aurait pas besoin
d’être réapprovisionnée en glaçons. Ainsi nous faisons une économie d’eau.
Figure 9 : Machine frigorifique
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Cette machine est constituée d’une cuve dans laquelle se trouve l’évaporateur et au fond de
laquelle se situe une évacuation. Le plus simple était donc de faire circuler l’eau directement
dans la cuve afin qu’elle soit en contact avec l’évaporateur de la machine frigorifique.
Figure 10 : schéma de la cuve
Le principe de fonctionnement est ensuite le même que celui de nos prédécesseurs : cette eau
refroidie passe par le serpentin qui nous sert de condenseur et permet ainsi la condensation de
la vapeur que nous lui envoyons. Nous avions, un temps, pensé à simplifier le circuit en
mettant l’évaporateur du frigo à l’air libre, afin de condenser notre vapeur directement sur
celui-ci, mais nous aurions risqué de faire geler la vapeur d’eau au lieu de la condenser.
3.3. Source chaude
Nos prédécesseurs utilisaient comme source chaude une centrale à vapeur ; la puissance émise
par cette dernière était très grande. De plus la vapeur était acheminée jusqu’au serpentin par
plusieurs flexibles de diamètres relativement importants, ce qui fait qu’il y avait trop de
vapeurs et qu’il était impossible d’obtenir une hygrométrie inférieure a 100%. Pour les
besoins du TP nous jugions utile de faire varier cette hygrométrie, nous avons donc pensé à
utiliser une cocotte-minute dans laquelle on ferait chauffer de l’eau jusqu’à évaporation à
l’aide d’une plaque chauffante.
Figure 11 : Cocotte-minute sur plaque chauffante
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Ce système ayant pour avantage d’être réglable selon la température de la plaque chauffante,
nous pensions pouvoir créer plus ou moins de vapeur selon nos besoins. Afin de limiter la
quantité de vapeur acheminée autour du serpentin, nous n’avons installé qu’un seul flexible de
petit diamètre entre le serpentin et la cocotte-minute. Et enfin au cas où l’hygrométrie autour
du serpentin serait toujours trop élevée, nous avons installé avec l’aide de M. Saubatte une
vanne d’évacuation sur la cocotte-minute afin de laisser s’échapper une partie de la vapeur
dans l’air ambiant et de pouvoir ainsi moduler le débit de vapeur envoyée au serpentin.
Figure 12 : Cocotte-minute et circuits de vapeur
Afin de respecter les consignes de sécurité, nous avions pensé à évacuer cette vapeur par des
bouches d’aération situées en hall thermique. Nous avons créé un piège à eau afin de pouvoir
mesurer le débit de vapeur s’échappant par cette vanne, débit nécessaire pour les besoins du
TP. La vapeur évacuée était acheminée vers une casserole baignant dans un bain glacé, dans
le but de la condenser au contact de ses parois froides. Ensuite en pesant la masse d’eau
condensée au bout d’un certain temps nous aurions pu connaître le débit de vapeur de la
vanne d’évacuation.
Figure 13 : Piège à eau
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Mais malheureusement le piège n’a pas marché, la vapeur ne se condensait pas. Elle
s’échappait en plus grande quantité par l’évacuation au condenseur, celle-ci étant à pression
atmosphérique. Nous avons donc abandonné l’idée d’une vanne de modulation de débit de
vapeur. Malgré le petit diamètre de nos flexibles, nous envoyons toujours trop de vapeur, et
l’hygrométrie autour du serpentin est toujours de 100%. Il nous a alors fallu centrer notre
étude sur d’autres paramètres.
3.4. Débit d’eau dans le circuit
Suite à cela c’est sur le débit d’eau dans le circuit que s’est porté notre attention. La pompe
récupérée chez nos prédécesseurs, bien qu’efficace pour la circulation de l’eau, ne nous
permettait pas d’effectuer des variations importantes de débit. Le débitmètre installé sur le
circuit affichait comme valeur maximale 120 l/h et comme valeur minimale 110 l/h.
Figure 14 : Pompe Figure 15 : Débitmètre
Nous avons alors installé une vanne deux voies juste à la sortie de la pompe nous permettant
de faire varier le débit entre 0et 120 l/h. Et nous avons constaté que plus le débit est élevé plus
notre machine est efficace, mais cela est expliqué en détail dans la partie concernant le TP.
3.5. Electricité
Afin de respecter les normes de sécurité et de simplifier les opérations nous avons apporté
quelques modifications au niveau de l’organisation électrique de la machine, et ce toujours
avec l’aide de Monsieur Saubatte. En premier lieu nous nous sommes occupés du frigo, qui,
constitué de plusieurs éléments, utilisait plusieurs prises électriques. Cela était à la fois
dangereux de laisser autant de fils par terre, et ajoutés aux fils des autres constituants de la
machine il devenait difficile de s’y retrouver. Nous les avons alors tous réunis dans un boîtier
de raccordement, et c’est une seule prise que l’on branche pour mettre en marche tous les
éléments du frigo. Nous avons également installé un interrupteur pour la pompe et un autre
pour la plaque chauffante.
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3.6. Maquette dans sa globalité
Figure 16 : Boîtier électrique et interrupteurs
Pour résumer la maquette créée a le même fonctionnement que celle du projet de l’année
précédente, les éléments récupérées sur l’ancienne sont : le serpentin, le tube pvc qui
l’entoure, et la pompe.
Notre source froide est une machine frigorifique et notre source chaude une cocotte-minute
sur une plaque chauffante. L’échange entre la circulation d’eau froide et de vapeur est cocourant.
Nous sommes conscient qu’un échange à contre-courant aurait certainement était
plus efficace, d’ailleurs pour les besoins du TP nous avions pensé à inverser le sens de l’eau
froide afin de comparer la même manipulation en co- et en contre-courant.
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Figure 17 : schéma de principe échangeur co- et contre courant
La réalisation de ce système étant compliquée (tuyaux en cuivre) et le but du projet n’étant
pas de créer une machine performante mais d’en prouver la faisabilité, nous ne l’avons pas
mis en place.
Figure 18 : Maquette dans son ensemble
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4. Elaboration du TP
But du TP
Le but du TP est de :
• Comprendre la différence entre humidité relative et humidité absolue
• Apprendre à déterminer la température du point de rosée
• Faciliter la compréhension du phénomène de condensation (expliquer et montrer le
phénomène)
4.1. Description de l’appareil
Appareillage : c’est un échangeur tubulaire vertical en cuivre constitué de deux
parties à savoir :
• Un faisceau tubulaire de cinquante-six tubes
• Une calandre (tube cylindrique en PVC) dans laquelle est placé le faisceau
tubulaire.
En bas de la calandre est placé le verre gradué servant à récolter l’eau condensée.
Mode de fonctionnement : le fluide froid circule dans le tube intérieur et le fluide
chaud dans le tube extérieur. Les fluides froid et chaud sont respectivement définis par
les grandeurs suivantes: débits massiques (Q' et Q), chaleurs massiques moyennes (Cp'
et Cp) et températures d'entrée (θ0' et θ0) et de sortie (θ1' et θ1). Ces fluides circulent en
courants parallèles.
Le fonctionnement à courants parallèles est possible seulement si θ1 > θ1'; dans le cas
contraire l'échange n'est pas possible avec ces températures de sortie.
4.2. Caractéristiques des différents éléments
Machine frigorifique : le frigo est constitué d’une cuve dans laquelle se trouve
l’évaporateur (serpentin en cuivre) ; c’est dans cette cuve que l’eau du circuit est refroidie
au contact du serpentin.
Condenseur : c’est un serpentin en cuivre dans lequel circule l’eau refroidie par le frigo.
C’est sur celui-ci que se condense la vapeur d’eau. Le circuit d’eau étant fermé ; l’eau est
réacheminée dans le frigo tout au long de l’expérience.
• Diamètre intérieure d’une spire : 5 cm
• Diamètre extérieure d’une spire : 6,6 cm
• Diamètre moyen d’une spire : 5,8 cm
• Périmètre d’une spire : 18,2 cm
• Nombre de spires : 56
Projet n° 0802 Page 20

• Longueur totale du serpentin : 10,19 m
• Diamètre intérieur du tube : 6 mm
• Diamètre extérieur du tube : 8 mm
• Surface d’échange du serpentin avec l’extérieure : 0,256 m 2
• Surface intérieure du serpentin : 0,192 m 2
• Surface d’échange totale : 0,441 m 2
Calandre (tube en PVC) : c’est le conduit qui assure le passage de la vapeur autour du
condenseur tout comme dans un échangeur tubulaire horizontal où la vapeur circule à
l’extérieur des tubes.
Pompe : c’est une pompe Salmson qui fonctionne en courant alternatif (220-240 V) à une
pression de 10 bar et à une fréquence de 50 Hz. Elle assure la circulation de l’eau.
Débitmètre : il s’agit d’un débitmètre à flotteur qui permet de mesurer le débit d’eau
délivrée par la pompe.
Vanne débit : c’est une vanne deux voies qui permet de régler le débit d’eau, en
augmentant la perte de charge.
Source chaude : la source chaude est une cocotte minute dans laquelle l’eau est chauffée
à haute température et donc se vaporise. Cette vapeur est acheminée à l’intérieur du
cylindre en PVC à l’aide d’un flexible.
Mesure des températures : des thermocouples permettent de mesurer :
• La température de l’eau à l’intérieur du frigo
• La température de l’eau à l’entrée du condenseur
• La température de l’eau à la sortie du condenseur
• La température de la vapeur à l’entrée du tube PVC
• La température de la vapeur à la sortie du tube PVC
Centrale d’acquisition : c’est une centrale FLUKE HYDRA SERIES 2. Elle permet
d’enregistrer les différentes températures sondées par les thermocouples. Les
thermocouples sont reliés à la centrale par un boitier.
Ordinateur : l’ordinateur portable est relié à la centrale d’acquisition par un câble de
connexion. Il donne les valeurs de températures des thermocouples.
Diagramme de l’air humide (logiciel psydiag, diagpsy, feuille de calcul excel): les
logiciels (psydiag et Diagpsy) et la feuille de calcul excel nous permettent de déterminer
les caractéristiques de l’air humide en ne connaissant que deux paramètres.
Projet n° 0802 Page 21

Par exemple, en connaissant l’humidité relative et la température sèche, soit la
température ambiante de l’air, on peut déterminer la température humide, la
température de rosée, la pression de vapeur saturante, et la pression de vapeur.
Balances : elles sont au nombre de deux :
• L’une archaïque permettant de peser la cocotte au début et à la fin de l’expérience afin
de mesurer le débit de vapeur. En effet si l’on divise cette différence de masses par le
temps durant lequel l’eau s’est évaporée on obtient le débit de vapeur créé par la
cocotte.
• L’autre numérique permettant de peser les condensats obtenus.
Puissance théorique d’eau condensée : c’est la puissance qu’on aurait si toute la vapeur
était condensée.
Puissance réelle d’eau condensée : c’est la puissance récupérée par l’eau tout au long de
l’expérience.
Puissance frigorifique : c’est la puissance que fournit la machine frigorifique pour
refroidir le fluide de service (eau).
Pertes : c’est la différence entre la puissance théorique et la puissance réelle d’eau
condensée.
Débit thermique fluide chaud (vapeur) : c’est la puissance qu’il faut pour élever d’un
degré la puissance de la vapeur.
Débit fluide froid (eau) : c’est la puissance qu’il faut pour élever d’un degré la puissance
de l’eau.
4.3. Rappels à propos de la condensation : Transfert de chaleur par
condensation
Définition du phénomène
On entend par condensation le processus par lequel l’eau passe de l’état vapeur à l’état
liquide. Dans l'atmosphère, la condensation s’applique aux nuages, au brouillard, à la brume,
à la rosée ou au gel, elle dépend des conditions physiques du milieu. Celle-ci n'est pas une
question de température du fluide mais de différence de température entre deux fluides. Elle
se produit quand la température de l'air atteint son point de rosée.
Lorsque l’air est saturé en vapeur d’eau, un refroidissement se traduit par un excédent d’eau
incapable de rester à l’état de vapeur dans l’air. Cet excédent est condensé sous forme liquide
Projet n° 0802 Page 22

(gouttelettes d’eau) ou solide (cristaux). La condensation est en effet différente selon que la
température du point de rosée est positive (air humide) ou négative (air sec).
Explication et déroulement du phénomène
Il s’agit de la liquéfaction de la vapeur dans un échangeur tubulaire parcouru par un fluide
froid (eau).
Cette dernière se condense sur la paroi froide et un film liquide se forme et mouille la paroi.
La rosée se poursuit alors mais le transfert s’effectue à travers une couche liquide qui
constitue une résistance thermique importante. Les gouttes qui se forment grossissent et
finissent par se détacher des parois; aussi, on assiste à un ruissellement du film sur la paroi
des tubes ce qui constitue une couche isolante.
Le film qui s'écoule sur les tubes se rassemble sur la calotte inférieure avant de s'écouler à
l’extérieur. Si le débit de vapeur est inférieur à la capacité maximale de condensation de
l'échangeur, le liquide se refroidit quand il atteint dans sa descente la zone où toute la vapeur
est condensée.
Modes de condensation de la vapeur sur une paroi froide
Il existe deux modes de condensation de la vapeur sur une paroi froide, à savoir : film ou
gouttelette.
• Condensation en film :
Lors de la condensation « en film », la paroi est complètement mouillée par le condensat. La
condensation se produit à la périphérie du film liquide et la chaleur est transmise à la paroi, au
travers du film essentiellement par conduction.
• Condensation en gouttelettes :
En tractant la paroi avec un agent tensio-actif, il est possible de provoquer la condensation
« en gouttelettes ». La surface n’est plus mouillée par le liquide, elle est couverte de
gouttelettes qui s’agglomèrent pour former des gouttes qui se détachent laissant place libre
pour une répétition du processus.
Coefficients de transfert de chaleur
Les coefficients de convection avec changement d'état sont meilleurs que dans le cas d'une
convection forcée sans changement d'état. Dans cette étude on retiendra qu'on obtient des
corrélations dépendantes des paramètres suivants pour le coefficient de convection côté
vapeur:
• propriétés thermiques de la vapeur: λ, Lc (chaleur latente de condensation)
• propriétés d'écoulement de la vapeur: ρ, µ et g
• vitesse de la vapeur
• surface refroidissante: L (hauteur des tubes car le faisceau est horizontal)
Projet n° 0802 Page 23

• différence de température entre la température de condensation des vapeurs et la
moyenne des températures de paroi entre les deux extrémités des tubes.
• nombre et disposition des tubes
• état de surface des tubes
En outre, le coefficient de transfert par convection vapeur - paroi lors d'une condensation est
plus élevé que dans le cas d'un transfert liquide - paroi où il n'y a pas de changement de phase.
Il ne dépend pas directement de la vitesse de la vapeur: on peut donc faire circuler sans
inconvénient la vapeur autour des tubes et bénéficier d'une vitesse élevée du liquide à
l'intérieur des tubes.
Il faut toutefois remarquer que les températures des deux fluides varient le long de
l'échangeur. Il n'est donc plus possible de considérer la différence de températures entre les
deux fluides comme une constante (comme dans le cas des calculs de transfert thermique où
cette hypothèse est toujours sous-jacente). On définit donc ∆θm, la moyenne logarithmique
des différences de températures des fluides aux deux extrémités :
∆θm=
∆Tg – ∆Td
Ln ∆Tg
∆Td
Où ∆T = θ0 - θ0' et ∆t = θ1 - θ1’
Le flux de chaleur échangé entre les deux fluides s’écrit : φ = φ'=KΣ∆θm
K est le coefficient de transfert thermique global (résultat de deux échanges par convection et
d'un échange par conduction dans la paroi du tube intérieur). Il est bien entendu défini par
rapport à une surface d'échange déterminée.
Enfin, les coefficients de transfert de chaleur sont plus élevés pour la condensation « en
gouttelettes » que pour la condensation « en film » (par suite de l’absence de film liquide) ;
aussi, elle est l’un des phénomènes indispensables pour le transfert de chaleur dans des
applications telles que la production d’énergie, de nombreux processus chimiques et
notamment le raffinage, la réfrigération, le chauffage, etc.…
4.4. Trame du TP
La manipulation du TP consiste à fixer une température du frigo et à faire varier
uniquement le débit d’eau froide. On a donc choisi de fixer les débits à 125 l/h et 30
l/h afin de pouvoir observer de façon évidente ses effets sur le débit de condensats.
Projet n° 0802 Page 24

Débit 125 l/h : on constate que lorsque la température de l’eau est élevée et le delta T
eau à l’échangeur est bas, on obtient une masse de condensats plus élevée que lorsque la
température de l’eau est basse et que le delta T eau à l’échangeur est élevé.
En effet, pour une température de l’eau dans le frigo de 20°C, on a obtenu plus de condensats
que pour une température de l’eau de 4°C.
Débit 30 l/h : on obtient dans un premier temps les mêmes résultats que ceux obtenus
pour un débit de 125 l/h. Dans un second temps, pour des températures d’eau dans le frigo
différentes et des delta T eau à l’échangeur différents, on obtient le même débit de condensats.
Effectivement, pour une température de l’eau dans le frigo de 10°C et l’autre à 34°C, on a
obtenu le même débit de condensats.
Néanmoins, de façon générale, on constate que plus le débit d’eau est important, plus on
condense et cela pour des conditions identiques de températures d’eau dans le frigo
identiques.
4.5. Essais d’explications
Les résultats obtenus ne répondent pas à nos attentes ; il y a de nombreuses incohérences.
Il ne nous semble pas normal de condenser plus d’eau lorsque la température du frigo est à
20°C, que lorsqu’elle est à 4°C.
Une autre incohérence qui nous a frappés fut le fait que lorsque le delta T eau à l’échangeur
est élevé, on condense moins que lorsque celui-ci est bas.
On s’est rendu compte, malheureusement trop tard qu’il y avait de nombreux paramètres qui
rentraient en jeu et dont nous n’avons pas tenu compte :
• Par exemple un écart de température entre 0°C et 10°C ne fourni pas la même
puissance qu’un écart entre 50°C et 60°C.
• Il y a formation de gouttelettes sur la paroi, ce qui signifie que l’on échange aussi avec
l’ambiance.
• La puissance du frigo est insuffisante pour refroidir l’eau de notre frigo lorsque celle-ci
échange avec la vapeur.
• Auparavant, on avait fait des trous afin de pouvoir mesurer l’hygrométrie ; de l’air peut
s’infiltrer par ces orifices et donc introduire une erreur supplémentaire dans nos
mesures.
• Egalement, plus le débit de vapeur est grand, plus on introduit d’air, donc plus on
fausse nos mesures.
• On ne contrôle pas l’humidité.
Projet n° 0802 Page 25

• Le fait d’obtenir un même débit de condensats pour des températures d’eau différentes
avec un même débit du fluide pourrait s’expliquer si on était limité par l’humidité à la
sortie du tube. Or toute l’humidité ne se condense pas, donc on n’est pas limité.
• Si on n’est pas limité par l’humidité qu’il y a dans l’air, on peut être limité par le
transfert thermique de notre serpentin.
• Le problème repose encore donc sur le tirage naturel.
• Pour qu’il y ait tirage, il faut que la masse volumique de la vapeur soit plus faible que
celle de l’air.
• On condense plus sur les parois que sur le serpentin.
• Avant que les premières gouttes de condensats ne soient recueillies, on observe de
microgouttelettes d’eau en suspension dans notre mélange. Ce phénomène nous signale
qu’on a déjà commencé à condenser car la vapeur est invisible.
• Si les microgouttelettes sont collées sur la paroi ça ne cause aucun problème.
• Si on a un effet de refroidissement, on va diminuer la température et bloquer la
circulation de la vapeur. Il n’y a plus d’effet d’entrainement de l’air qui ferait circuler
notre air humide dans la colonne et donc on ne va condenser qu’en bas et peut être pas
plus haut parce le mélange ne remonte pas.
• En faisant circuler de l’eau froide, on ralentit la circulation naturelle et donc on
observe un effet contraire. On va beaucoup condenser mais on va moins amener notre
air humide dans le tube et donc condenser plus vers le bas.
4.6. Conclusion
• Il faudrait vérifier si on a du tirage à la sortie du tube.
• Il serait judicieux de voir si en ne faisant pas circuler de l’eau dans la boucle le tirage
serait important.
• Il faudrait que l’on maîtrise le débit d’air qui traverse notre colonne.
5. Solution pour subvenir aux besoins des populations en
zones arides
L’IUT est en partenariat avec une association d’aide pour le Maroc, pays où il est difficile de
se procurer de l’eau (élément naturel vital pour l’homme), dans les zones désertiques. Suite à
l’élaboration de notre maquette, on a décidé de se pencher sur une question :
Peut-on avec un système suivant l’exemple de notre maquette condenser l’eau présente dans
l’atmosphère, afin de satisfaire les besoins d’une famille de 5 personnes ?
C’est cette question qui a donné naissance à cette partie de notre projet. Pour réaliser notre
étude nous avons choisi le site de Laâyoune.
Projet n° 0802 Page 26

5.1. Laâyoune
• Contexte :
Figure 19 : Carte de Laâyoune
Laâyoune (El Aaiun, littéralement « les yeux » ou « la source »), fut fondée en 1940, suite à la
découverte d’une importante nappe phréatique. Il s’agit d’une importante ville du Sahara
occidental, située au sud du Maroc, bordée par l’océan Atlantique. Elle est le chef-lieu de
province pour l’administration marocaine. Laâyoune profite de sa volonté de développement
et de ce fait bénéficie de nombreux investissements de l’état marocain. Elle compte environ
200000 habitants.
• Climat :
Le climat de la région du Sahara située au sud du Maroc est marqué par des journées
ensoleillées et des nuits fraîches. Les précipitations sont très rares et irrégulières, les pluies
peuvent survenir sous forme d’averses très brutales. Néanmoins la proximité de l’océan
permet d’avoir une atmosphère très humide. Les brumes et les brouillards sont fréquents sur
les côtes, et au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la côte, les températures maximales
augmentent et les minimales diminuent.
Projet n° 0802 Page 27

De manière plus détaillée :
Au printemps : il fait chaud, les nuages sont rares et les orages exceptionnels. La moyenne des
températures maximales est aux alentours 23°C en bordure et 30°C au centre mais celles-ci
peuvent atteindre les 40°C quotidiennement. A partir d’avril les précipitations sont quasiment
nulles, en revanche les tempêtes de sable sont fréquentes.
En été : le climat est plus chaud et plus sec. Les températures sont impressionnantes et le
contraste thermique entre le jour et la nuit est considérablement élevé. Les températures
maximales peuvent dépasser les 46°C en Août alors que les minimales restent proches des
18°C. L’influence maritime reste néanmoins présente. Les précipitations sont d’autant plus
inexistantes.
En automne : la température moyenne de cette période avoisine les 25°C dans toute la région
saharienne. Mais au cours de la nuit, la chute de température devient sensible aux minimales
moyennes se rapprochant des 15°C. Elles peuvent descendre jusqu’à 5°C dans les régions
intérieures du Sahara quotidiennement. Des pluies commencent à faire leurs apparitions sous
formes d’averse, on relève en moyenne un cumul mensuel de l’ordre de 20 mm.
En hiver : les températures sont agréables durant la journée et très froides la nuit (il peut geler
en janvier et février). On pourra encore constater de grandes variations de températures entre
le jour et la nuit. En effet les minimales moyennes ne dépassent pas les 10°C, alors que la
moyenne des températures maximales avoisine les 22°C. Les températures minimales
quotidiennes peuvent prendre des valeurs négatives.
Donnés météorologiques de Laâyoune :
Figure 20 : Hiver saharien
Projet n° 0802 Page 28

On peut observer dans ce tableau que la moyenne hygrométrique sur une année est assez
conséquente.
Figure 21 : Graphique représentant les températures et la pluviométrie de Laâyoune
Figure 22 : Carte d’illustration de la pluviométrie :
On peut observer que Laâyoune est située dans une région où les précipitations sont faibles (<
200 mm).
Projet n° 0802 Page 29

5.2. Principe de fonctionnement
Ayant traité précédemment le sujet de l’air humide, il n’est pas nécessaire de s’attarder
dessus. On a pu observer que Laâyoune est située dans une région possédant une forte
hygrométrie. Notre but est donc de refroidir cet air afin de le déshumidifier et donc ainsi
récupérer une partie de l’eau qu’il contient. Pour se faire, il nous faut lui fournir de la chaleur
sensible afin de l’amener à son point de rosée, mais également de la chaleur latente afin de
condenser l’eau qu’il contient.
La chaleur sensible est la chaleur émise ou absorbée par un corps qui voit sa température
croître ou décroître en conséquence. La chaleur latente est la chaleur reçue ou fournie par un
corps qui voit son état physique changer. Cette dernière n’est donc liée aucunement à une
variation de température mais uniquement à un changement de phase à température constante.
Ce changement d’état est, par exemple pour l’eau dans l’atmosphère, la condensation ou la
vaporisation selon que l’on apporte de l’énergie à celle-ci ou que l’on lui en retire.
Figure 23 : Diagramme de l’air humide
Afin de condenser l’eau de notre air, on va utiliser une machine frigorifique fonctionnant sur
le même principe que la notre, en modifiant quelque peu la technologie afin de diminuer les
pertes et donc d’améliorer le rendement.
Projet n° 0802 Page 30

• Machine frigorifique :
Comment sa marche ?
Réfrigérateur ou pompe à chaleur fonctionne sur un même principe thermodynamique. Tout
repose sur le changement d’état d’un fluide frigorigène utilisé en circuit fermé :
Son évaporation entraîne une production de froid par absorption de la chaleur ambiante et sa
condensation un dégagement de chaleur.
Comme on peut l’observer sur le schéma ci-dessous :
Figure 24 : Schéma de fonctionnement d’une machine frigorifique ou pompe à chaleur
Le fluide frigorigène, au sein de l’évaporateur (point 1), prélève des calories à
l’environnement et grâce à son faible point d’ébullition, se vaporise. Puis cette vapeur passe
dans le compresseur (point 2), où elle est comprimée, elle voit sa pression mais également sa
température augmenter. Sortie du compresseur, cette vapeur haute pression passe dans le
condenseur (point 3), où elle va céder les calories qu’elle a accumulées lors de sa
compression à l’atmosphère et se condenser au passage. Elle se retrouve alors sous la forme
de liquide haute pression. Ce liquide va voir sa pression chuter jusqu’à sa pression initiale lors
de son passage au sein du détendeur (point 4). A sa sortie il retourne à l’évaporateur afin de
recommencer son cycle. Le point 5 de ce cycle est spécifique aux pompes à chaleur, celui-ci
permet d’inverser le cycle afin d’échanger les rôles des condenseurs et évaporateurs. On peut
ainsi aisément chauffer ou refroidir une pièce.
• Choix du fluide frigorigène
Le protocole de Montréal est un accord international visant à réduire, et à terme, supprimer
complètement les substances qui appauvrissent la couche d’ozone. Celui-ci impose la
suppression de l’utilisation des CFC (chlorofluorocarbones), sauf pour des utilisations
qualifiées de critiques. On a choisi le solkane (Tétrafluoroéthane, R134a) comme fluide
frigorigène car il s’agit d’un HFC (un substituant des CFC), qu’il respecte les normes de
sécurité, d’hygiène et de performances des CFC.
Les HFC fournissent également des solutions économiques car leur utilisation ne représente
que 20 à 25% de la consommation antérieure des CFC.
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• Technologie :
Tout comme pour notre maquette, le condenseur sera une batterie à ailettes munie d’un
ventilateur. L’évaporateur sera constitué d’un serpentin intégré dans une enceinte calorifugée.
L’air sera aspiré dans cette enceinte à l’aide d’un ventilateur de faible puissance. Une fois
l’eau condensée, celle-ci s’échappera par l’évacuation prévue à cet effet. On n’a pu se
procurer d’informations précises mais sachant que la région saharienne au sud du Maroc
bénéficie d’un très fort ensoleillement toute l’année, environ 350 jours de soleil, on a donc
décidé d’alimenter notre installation par panneaux solaires photovoltaïques. Et afin de pouvoir
la faire fonctionner la nuit et cas de problème d’ensoleillement, nous avons pensé stocker une
partie de l’énergie accumulée durant la journée dans une batterie qui prendrait le relais des
panneaux solaires, ainsi nous pourrons condenser jour et nuit.
5.3. Etude théorique
Figure 25 : Schéma autocad de l’installation
Afin de pouvoir fixer la puissance nécessaire à l’évaporateur, on a effectué une étude
préalable afin de connaître de manière approchée la puissance à fournir pour condenser 5
litres d’eau en 12h. On a choisi arbitrairement une journée avec les conditions météo
suivantes : Température : 28°C ; Hygrométrie : 43%.
Avec le logiciel psydiag, nous avons pu déterminer les caractéristiques de notre air.
Projet n° 0802 Page 32

Figure 26 : Diagramme de l’air humide tracé à l’aide du logiciel psydiag
Figure 27 : Tableau des caractéristiques de l’air donné par le logiciel psydiag
On obtient les résultats suivants :
- Enthalpie : 54,04 kJ/kg
- Humidité spécifique : 10,14 ge/kgas.
On décide de refroidir cet air jusqu’à 0°C, température au-delà de laquelle l’eau condensée
gèlerait. On calcule donc les caractéristiques de l’air au point 0°C et 100% d’hygrométrie
c'est-à-dire à saturation. On obtient les résultats suivants :
- Enthalpie : 9,44kJ/kg
- Humidité spécifique : 3,77 ge/kgas.
On prend pour masse volumique de l’eau 1000 kg/m 3
On veut condenser 5 litres en 12h, on a donc besoin d’un débit d’eau de :
- Qmeau = masse/temps
Projet n° 0802 Page 33

- Qmeau = 5000/ (12*3600) = 1,16*10 -1 ge/s
On divise ce débit par la quantité d’eau que l’on peut condenser en amenant notre air à 0°C
pour obtenir le débit d’air nécessaire :
- Qmair = Qmeau/ (r28-r0)
- Qmair = 1,16*10 -1 / (10,14-3,77) = 1,82*10 -2 kgas/s
On multiplie enfin ce débit d’air par l’écart d’enthalpie entre les points initial et final afin
d’obtenir la puissance nécessaire à l’évaporateur :
- P = Qmair/ (H28- H0)
- P = 1, 82*10 -2 *(54, 04-9, 44) *10 -3 = 982W.
On sait ainsi que pour une journée moyenne, il faut que notre échangeur prélève 982W à notre
air afin que l’on puisse condenser 5 litres en 12 heures. On a donc fixé la puissance de notre
évaporateur à 1000W.
N’ayant pu obtenir d’informations précises sur la météo de la région concernée, on a décidé
de se servir des données météorologiques que nous avons trouvées sur internet. On a réalisé
notre étude sur 9 jours car on ne possédait que ces prévisions météorologiques.
Voici les données qu’on a pu acquérir :
Tmax
(°C)
Tmin
(°C)
ϕTmax
(%)
ϕTmin
(%)
23 13 57 75
22 13 57 70
24 14 60 69
25 14 61 75
22 15 57 74
22 15 70 79
28 16 64 72
27 16 62 73
26 15 64 77
On a calculé les moyennes des températures et hygrométries et les avons consignées dans le
logiciel psydiag afin d’obtenir les caractéristiques de nos points sur le diagramme de l’air
humide.
En procédant de manière inverse, c'est-à-dire à puissance fixée (1kW), on trouve la quantité
d’eau que l’on condense :
- Qmair = P/ΔH
- Qmeau = Qmair /Δr
- V = Qmeau *24*3600
Projet n° 0802 Page 34

On obtient le tableau suivant :
jour
Tmoy
(°C)
ϕmoy
(%)
r
(ge/kgas)
Δr
(ge/kgas)
H
(kJ/kgas)
ΔH
(kJ/kgas)
Qmas
(kgas/s)
Qme
(ge/s)
Vmoy/j
(l)
dim 18 66 8,48 4,71 39,58 30,14 2,53E-02 1,19E-01 10,3
lun 17,5 63,5 7,9 4,13 37,6 28,16 2,66E-02 1,10E-01 9,5
mar 19 64,5 8,82 5,05 41,48 32,04 2,41E-02 1,22E-01 10,5
mer 19,5 68 9,61 5,84 43,98 34,54 2,27E-02 1,33E-01 11,5
jeu 18,5 65,5 8,68 4,91 40,61 31,17 2,46E-02 1,21E-01 10,4
ven 18,5 74,5 9,9 6,13 43,68 34,24 2,29E-02 1,40E-01 12,1
sam 22 68 11,24 7,47 50,68 41,24 1,97E-02 1,47E-01 12,7
dim 21,5 67,5 10,81 7,04 49,08 39,64 2,04E-02 1,43E-01 12,4
lun 20,5 70,5 10,62 6,85 47,56 38,12 2,10E-02 1,44E-01 12,4
En moyenne sur 9 jours on obtient un volume de 101,9 litres d’eau condensée.
Laâyoune étant une ville côtière, son hygrométrie subit l’influence de l’océan. On a donc
voulu comparer les résultats à ceux d’une ville qui serait éloignée de l’océan afin de voir si les
résultats sont équivalents. Pour se faire, on a choisi la ville d’ Es Smara.
Données météorologiques de Smara :
Température minimale moyenne 15°C
Température maximale moyenne 31°C
Pluviométrie moyenne 12 mm/an
Vitesse du vent plus fort enregistrée 71km/h
Vitesse moyenne des vents forts 59 km/h
Figure 28 : Graphique représentant les températures et la pluviométrie de Smara
Projet n° 0802 Page 35

On constate déjà que les températures maximales sont plus élevées, et les précipitations moins
abondantes.
Comme précédemment nous nous sommes basés sur des prévisions météo s’étalant sur 9
jours.
Voici les données acquises :
Tmax
(°C)
Tmin
(°C)
ϕTmax
(%)
ϕTmin
(%)
24 13 51 64
24 12 49 61
27 13 54 60
27 14 54 65
24 14 49 64
24 15 62 68
30 15 57 62
29 16 55 63
29 14 57 67
Egalement comme avant, on a moyenné nos points, les avons rentrés dans le logiciel psydiag
et avons pu obtenir les résultats suivants :
jour
Tmoy
(°C)
ϕmoy
(%)
r
(ge/kgas)
Δr
(ge/kgas)
H
(kJ/kgas)
ΔH
(kJ/kgas)
Qmas
(kgas/s)
Qme
(ge/s) Vmoy/j (l)
dim 18,5 57,5 7,61 3,84 37,89 28,45 3,51E-02 1,35E-01 11,7
lun 18 55 7,05 3,28 35,96 26,52 3,77E-02 1,24E-01 10,7
mar 20 57 8,29 4,52 41,15 31,71 3,15E-02 1,43E-01 12,3
mer 20,5 59,5 8,94 5,17 43,3 33,86 2,95E-02 1,53E-01 13,2
jeu 19 56,5 7,72 3,95 38,67 29,23 3,42E-02 1,35E-01 11,7
ven 19,5 65 9,18 5,41 42,89 33,45 2,99E-02 1,62E-01 14,0
sam 22,5 59,5 10,12 6,35 48,35 38,91 2,57E-02 1,63E-01 14,1
dim 22,5 59 10,03 6,26 48,13 38,69 2,58E-02 1,62E-01 14,0
lun 21,5 62 9,92 6,15 46,81 37,37 2,68E-02 1,65E-01 14,2
On obtient en moyenne sur 9 jours, un volume de 115,8 litres ce qui est légèrement supérieur
au volume de Laâyoune.
Au vu des résultats, on peut se demander comment se fait-il qu’une ville intérieure du Sahara
puisse contenir plus d’eau dans son air qu’une ville côtière dont l’hygrométrie subit nettement
plus l’influence de l’océan. On pense que cela vient du fait que notre étude est effectuée sur
une courte période, de plus nous moyennons les valeurs de température et d’hygrométrie, hors
il faudrait suivre leur évolution tout au long de la journée, ce qui introduit des erreurs
supplémentaires dans nos calculs. Néanmoins on constate qu’il nous ait possible de condenser
près de 10 litres par jour, ce qui est plutôt encourageant par rapport à nos attentes.
• Puissance du compresseur :
On a pu observer grâce au diagramme donnant les températures de toute l’année que les
maximales n’atteignaient jamais les 50°C. On a donc choisi de faire condenser notre fluide
frigorigène à 60°C afin d’avoir toujours un écart de température supérieur à 10°C entre le
condenseur et l’atmosphère. On a également pris en compte la formation de gel sur la paroi du
serpentin de l’évaporateur, diminuant les échanges thermiques, c’est pourquoi on a préféré
Projet n° 0802 Page 36

évaporer notre fluide à 0°C. On prend une surchauffe et un sous refroidissement de 10°C,
pour tracer notre cycle. En utilisant le diagramme du R134a on a pu tracer le cycle
thermodynamique de notre machine.
Figure 29 : Diagramme de fluide frigorigène
A l’aide du logiciel coolpack, nous avons tracé notre diagramme suivant. (Voir annexes)
On a pu obtenir les caractéristiques suivantes :
- Qcondenseur = 173,12 kJ/kg
- Qévporateur = 134,96 kJ/kg
- Wcompresseur = 38,16 kJ/kg
- Coefficient de performance (COP) = 3,54
Connaissant la puissance à fournir à l’évaporateur et l’enthalpie massique disponible, on peut
calculer le débit de fluide frigorigène, et avec ce dernier, déterminer la puissance du
compresseur :
- Qmff = Pévporateur / Qévporateur
- Pcompresseur = Wcompresseur* Qmff
On obtient le tableau suivant :
ΔHévap
Ppanneau
(W)
(kJ/kg) Qm (kg/s) ΔHcomp (kJ/kg)
134,96 7,41E-03 38,16 565,5
Pévap (W) Pcomp (W)
1000 282,8
Projet n° 0802 Page 37

5.4. Alimentation
• Energie solaire
Figure 30 : Ceinture solaire, régions pour lesquelles l’ensoleillement direct moyen annuel
excède les 2000kWh/m²/an
La région du Sahara située au sud du Maroc bénéficie d’un fort ensoleillement, effectivement,
cette région est située dans la ceinture solaire mondiale. Ce qui nous a encouragés à alimenter
notre installation à l’aide de panneaux solaires photovoltaïques.
Qu’est ce que l’énergie solaire : il s’agit de l’énergie fournie par le rayonnement solaire.
Celui-ci est de l’ordre de 1000W/m², ce qui correspond à 5000 fois plus que les besoins
mondiaux nécessaires. Cette chaleur peut être convertie en une autre forme utile à l’activité
humaine. Par exemple en chaleur (solaire thermique), électricité (solaire photovoltaïque).
Figure 31 : Régions mondiales appropriées à la production de solaire thermique
Les 2 types d’utilisation de l’énergie solaire les plus répandus sont le photovoltaïque et le
thermique.
Photovoltaïque : Par l’intermédiaire d’un matériau semi-conducteur (silicium amorphe,
cristallin), le capteur photovoltaïque transforme directement le rayonnement solaire en
électricité. L’énergie solaire photovoltaïque représente la quantité d’énergie lumineuse
convertie en électricité. Ces capteurs ont des rendements très faibles de l’ordre de 10%.
Projet n° 0802 Page 38

Thermique : il s’agit ici de la quantité d’énergie reçue par rayonnement solaire et transformée
en énergie thermique. Ces capteurs ont de meilleurs rendements que les précédents de l’ordre
de 80%.
Figure 32 : Solaire photovoltaïque figure 33: Solaire thermique
• Dimensionnement des panneaux solaires :
Sachant que notre compresseur nécessite une puissance de 283W minimum, nous aurons
besoin au minimum de panneaux solaires fournissant le double de cette puissance car une
partie sera stockée pour faire fonctionner l’installation de nuit. On a pris contact avec
monsieur Irigoin, de la société Climénergie, fabriquant des panneaux solaires afin de leur
demander de nous fournir les puissances unitaires de leurs panneaux. Cette société fabrique
deux types de panneaux :
- Surface : 1,60*0,80 m² ; puissance : 180 Wc ; exposition : 30° sud
- Surface : 2,15*1,25 m² ; puissance : 320 Wc ; exposition : 30° sud
Nous utiliserons les grands panneaux pour notre système. Nous aurons donc besoin de :
-
Nombre de panneaux = Pmini nécessaire/ P
- Nombre de panneaux = 566/320 = 1,77 unités
On utilisera donc 2 panneaux solaires et disposerons d’une puissance de 640 Wc.
• Choix de la batterie :
La société Climénergie nous a fourni un catalogue de batterie d’accumulation. Notre choix
s’est porté sur les batteries 12V car plus le voltage est important, plus l’ampérage sera faible.
On a déterminé l’ampérage minimum de notre batterie afin d’effectuer notre choix de
batterie :
- Energie nécessaire = Pnécessaire/temps de restitution
- Ampérage = Energie nécessaire/voltage batterie
- E= 283*12 = 3396 Wh
- Ah = 3396/12 = 283 Ah.
-
Il nous faudrait donc une batterie de 12V, 283Ah. Sachant que plus l’ampérage d’une batterie
est faible, plus son espérance de vie est grande, nous avons choisi de placer 2 batteries en
série de 12V, 156Ah.
Projet n° 0802 Page 39

Conclusion :
Malgré tous les phénomènes physiques non pris en compte lors de la conception
de notre système, nous avons pu réaliser un TP mettant en évidence le
phénomène de condensation. Nos objectifs ont été atteints dans le sens où nous
avons réussi à démontrer l’influence du débit d’eau froide sur la masse d’eau
condensée. Ceci dit ce TP ne sera pas opérationnel pour l’an prochain car de
nombreux points sont restés sans réponses, tels que l’influence de l’hygrométrie
et de la température de la source froide. Nous espérons que nos successeurs
pourront le reprendre, l’améliorer mais également répondre aux différentes
questions que nous avons laissées en suspens.
Néanmoins ce projet nous a permis de mener à bien notre étude théorique sur la
faisabilité d’un modèle permettant de condenser l’humidité des zones
désertiques. On obtient d’ailleurs, des résultats allant au-delà de nos espérances.
Ce qui est plutôt satisfaisant, mais reste à vérifier que la pratique confirme la
théorie sachant que nous n’avons pas tenu compte de tous les paramètres et que
nous manquions de données.
Nous avons conscience qu’à ce stade le modèle n’a rien de révolutionnaire. Mais
nous espérons vraiment que ce thème sera repris l’an prochain, qu’une ébauche
sera réalisée, afin que ce système puisse être développé à grande échelle et
contribuer à améliorer la qualité de vie dans certains pays.
Projet n° 0802 Page 40

Sources internet :
http://www.meteoma.net/es-semara/
http://fr.wikipedia.org/wiki/Froid_industriel
Bibliographie
http://www.sahara-developpement.com/Presentation/Climat/tabid/64/language/en-
US/Default.aspx
http://www.arap.org/docs_fr/hcfc-hfc.html
http://www.trybasolar.fr/trybasolar.nsf/solaire/Photos
http://www.opur.u-bordeaux.fr/
http://www.ac-orleans-tour.fr/
http://www.educ-net.fr/
http://www.outilssolaires.com/
http://www.culturesciencephysiques.ens-lyon.fr/
http://www.cite-sciences.fr/
Documents iconographiques :
Cours 2 de Mme Alaphilippe sur la Maîtrise de l’énergie
Entreprises contactées :
Climénergie
Mr Irigoin
63 avenue Didier Daurat
64140 Lons
Tel : 05 59 32 49 29
Fax : 05 59 32 16 39
Mail : climenergie@wanadoo.fr
LEPTAB La Rochelle
http://www.univ-lr.fr/labo/leptab/index.htlm
Pôle sciences et technologies
Laboratoire d’étude des phénomènes de transfert appliqués au Bâtiment
Avenue Michel CREPEAU – 17 042 La Rochelle cedex 1
Tel : 05 46 45 86 24
Projet n° 0802

Annexes
Prévisions météo de la ville de Laâyoune
Prévisions météo de la ville d’Es Smara
Projet n° 0802

Diagramme psychométrique de l’air de Laâyoune donné par le logiciel psydiag
Tableau des caractéristiques de l’air de Laâyoune donnée par le logiciel psydiag
Projet n° 0802

Diagramme psychométrique de l’air de Smara donné par le logiciel psydiag
Tableau des caractéristiques de l’air de Smara donnée par le logiciel psydiag
Projet n° 0802

Cycle réel de la machine frigorifique donné par le logiciel Coolpack
Points du cycle frigorifique donné par le logiciel Coolpack
Projet n° 0802

Caractéristiques de la machine frigorifique données par le logiciel Coolpack
Printemps saharien
Projet n° 0802

Taux réduction de l’émission des gaz à effet de serre donné par l’Alliance for Responsable
Atmospheric Policy, (alliance pour une politique atmosphérique responsable)
Projet n° 0802

Projet n° 0802

Projet n° 0802

Projet n° 0802

TP ECHANGEUR 2 ème année : Condensation de la vapeur
contenue dans l’air ambiant.
But du TP
Le but du TP est de :
• Montrer la présence d’humidité dans l’air
• Comprendre la différence entre humidité relative et humidité absolue
• Apprendre à déterminer la température du point de rosée
• Faciliter la compréhension du phénomène de condensation (expliquer et montrer le
phénomène)
Données :
• Cp eau = 4185 kJ/kg.K
• Cp vapeur = 2 kJ/kg.K
• k cuivre = 350 W/m 2 .K
• k PVC = 0,2 W/m 2 .K
• Chaleur latente de condensation = 2500 kJ/kg
• Débit vapeur : 4,84 E -4 kg/s
• Surface d’échange du serpentin avec l’extérieure : 0,256 m 2
• Surface intérieure du serpentin : 0,192 m 2
• Surface d’échange totale : 0,441 m 2
1. Questions théoriques
Définissez :
• pression de vapeur saturante
• pression partielle de la vapeur
• humidité relative de l’air
• humidité absolue
• température du point de rosée
• condensation
Que signifie « condition de saturation » ?
Qu’est ce que la chaleur latente d’évaporation ?
Parmi les deux modes de condensation, lequel correspond à notre cas ?
• Donnez les caractéristiques de l’air à 30°C et à 40% d’hygrométrie.
• Dans quel cas l’efficacité de l’échangeur serait-elle égale à 100% ?
• Quelle est la condition obligatoire pour qu’il y ait condensation ?
• Lorsque le rendement est égal à 100% comment se comporte la puissance récupérée et
la puissance utile ? Dans ce cas, peut-on calculer l’efficacité en ne connaissant que les
températures ? Si oui, expliquez et donnez l’expression de l’efficacité dans ce cas.
Projet n° 0802

2. Manipulation
2.1. Principe de la manipulation
• Mettre le frigo en marche et attendre 45 min avant d’allumer la plaque.
• Programmer la centrale de manière à ce qu’elle fasse les relevés toutes les 5min.
• Laisser chauffer la plaque pendant 30 min puis commencé à faire les relevés pour un
débit d’eau 120 L/h.
• Dès que vous entendrez les glougloutements, lancer l’acquisition ; les premières
gouttent de condensats vont bientôt apparaître.
• Toutes les cinq minutes (5min), pendant 30 min, relevez la masse d’eau condensée.
• Stopper l’acquisition.
• Arrêter la plaque.
• Laisser refroidir le frigo pendant 1h10.
• Refaites les mesures pour un débit de 30 L/h.
2.2. Mesures
2.2.1. Mesure des températures
Faites un tableau dans lequel vous ferez apparaître le temps, la masse d’eau condensée, les
températures entrée et sortie d’eau et de la vapeur, etc. puis tracez le profil de température de
chaque fluide en fonction de la longueur du tube et l’évolution de la masse au cours du temps
pour les différents cas et concluez.
2.2.2. Mesures des pressions
• La pression de vapeur saturante est donnée par la formule empirique :
2,7877 + (7,625*Ta) / (241,6+Ta)
Pvsat= 10
• La pression de vapeur est donnée par la formule empirique :
Pv= Pvsat – 0,00064*Pat*DT
NB : Il faudra vérifier le résultat en utilisant la feuille excel.
2.2.3. Mesures d’humidité
Mesure de l’humidité relative de l’air de deux manières
Vérifiez par le calcul que l’humidité relative est bien de 100%
H = (Pvap / Psat) * 100%
Mesure de l’humidité absolue
Habs = d*Pvap*(P – Pvap)
Projet n° 0802

Avec d=Mv/Ma ; d=0,622
Mv = masse molaire de l’air sec
Ma = masse molaire de la vapeur d’eau
Déduisez-en la valeur de la température de rosée puis comparez avec celle obtenue avec le
logiciel Diagpsy.
De manière empirique, on détermine la température du point de rosée à l’aide de la formule
suivante :
Td = [(H/100)*[112 + (0.9*Th)] + (0.1*Th) – 112] 1/8
• Eau condensée :
2.2.4. Mesure des débits
On relève la masse d’eau condensée toutes les 5 min pendant 30 min et on obtient la
masse totale d’eau condensée au bout de 30 min. On refait la même chose pour des
débits d’eau différents puis on détermine le débit masse d’eau condensée.
2.2.5. Calcul des puissances
• Déterminer la puissance théorique de condensation totale
Pth= débit vapeur*Lv
• Déterminer la puissance frigorifique
Pfrigo= débit eau * Cpeau*DTeau
• Déterminer la puissance réelle des condensats
Pr= débit condensats*Lv
• Déterminez les pertes puis concluez.
Pp= Pth – Pr
Attention :
Le delta T sur l’eau pour le calcul de la puissance frigorifique est pris au début de
l’expérience (ce sont les premières températures acquises par la centrale).
Le débit des condensats est calculé pour les cinq premières minutes soit pour les premières
gouttes de condensats.
Conclusion sur l’ensemble du TP.
Projet n° 0802

Annexes TP
Chaleur latente et chaleur sensible
• Chaleur sensible : c’est la quantité de chaleur qui est échangée sans changement de
phase, entre deux corps formant un système isolé.
Le qualificatif sensible se justifie par le fait que l’échange de chaleur, sans changement de
phase physique correspond à une variation de température de corps, laquelle peut être
ressentie ou mesurée pour un observateur.
• Chaleur latente : la chaleur latente ne se traduit pas, contrairement à la chaleur
sensible par un changement de température mais par un changement de phase.
La chaleur sensible concerne l’élévation ou la baisse de température d’un corps tandis que la
chaleur sensible concerne les changements d’état de la matière sans variation de température.
Chaleur latente de condensation et de vaporisation
La condensation est l’opération qui correspond à une libération de la chaleur par la
vapeur qui se condense tandis que la vaporisation est une opération qui exige une
fourniture d’énergie au liquide. Donc les chaleurs latentes de vaporisation sont positives et
celles de condensations négatives.
La vaporisation et la condensation constituent alors des opérations inverses et les
chaleurs latentes sont donc égales en valeur absolue pour les transformations de
vaporisation et de condensations.
Quelques définitions
• Hygrométrie : l’hygrométrie est l’étude et la mesure du degré d’humidité de l’air.
• Hygromètre : appareil servant à mesurer le degré d’humidité de l’air.
• Degré hygrométrique de l’air : c’est le rapport entre la pression de la vapeur dans
l’air et la pression de vapeur saturante.
• Vapeur saturante : on parle de vapeur saturante lorsque la vaporisation d’un liquide
cesse et que la pression de la vapeur qui surmonte ce liquide atteint une valeur qui
dépend de la température.
• Vaporisation : elle se produit avec absorption de chaleur, soit par refroidissement, soit
par apport de chaleur.
• Pression de vapeur saturante : c’est la pression partielle de la vapeur d’un corps pur à
partir de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide ou solide. On dit
aussi que c’est la pression maximale de sa vapeur « sèche », c'est-à-dire sans phase
liquide.
Projet n° 0802

Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur saturante
d’une substance, les phases gazeuse, liquide ou solide sont en équilibre.
Si la pression partielle de la vapeur dépasse la pression de vapeur saturante, il y a donc
liquéfaction ou condensation. A partir d’une situation d’équilibre, cela peut se faire en
augmentant la pression partielle de vapeur (par exemple en diminuant le volume), ou bien
en diminuant la pression de vapeur saturante, c'est-à-dire en diminuant la température.
Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est supérieure à celle du
solide, le liquide se vaporisera mais la vapeur se condensera en un solide, c'est-à-dire que
le liquide gèlera.
Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est inférieure à celle du
solide, le solide se vaporisera mais la vapeur se condensera en liquide, c'est-à-dire que le
solide fondra.
A la température à laquelle les deux pressions de vapeur sont égales, il existe un
équilibre entre les phases solides et liquides. Cette température est mentionnée comme le
point de fusion.
• Pression de vapeur saturante de l’eau dans l’air : la pression de vapeur saturante de
l’air humide représente la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air peut contenir.
Elle augmente avec la température.
• Condenseur : appareil permettant par refroidissement de faire passer une substance de
l’état gazeux à l’état liquide.
• Humidité : c’est la quantité d’eau sous forme de vapeur contenue dans l’air ambiant.
• Humidité de l’air : elle est liée à la proportion d’eau sous forme de vapeur dans un
mélange air-eau
• Humidité relative de l’air ou degré hygrométrique de l’air : c’est le rapport de la
pression partielle de la vapeur d’eau à la pression de vapeur saturante.
• Humidité de l’air et condensation de la vapeur d’eau
L’humidité de l’air est liée à la proportion d’eau sous forme de vapeur dans le mélange
gazeux air-eau.
Si l’eau était à la pression atmosphérique Patm, elle se condenserait à T=100°C.
Comme elle est mélangée à l’air, elle possède une pression partielle inférieure à 1atm et
la température à laquelle elle se condense est plus petite que la température de
condensation ou d’ébullition normale 100°C.
Donc, pour une température ambiante donnée, la vapeur d’eau se condensera si et
seulement si sa pression augmente suffisamment pour devenir égale à la pression de
vapeur saturante qui dépend uniquement de cette température ou; si la pression partielle
de l’eau ne change pas, la condensation se produira lorsque la température descendra
suffisamment pour atteindre la température du point de rosée.
Projet n° 0802

• Humidité relative et condensation de la vapeur
L’humidité relative est maximale (100%) lorsque la quantité de vapeur d’eau est telle que sa
pression partielle est égale à sa pression saturante. Ainsi, lorsque la pression partielle de la
vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante, la vapeur d’eau se condense partout
et on a l’impression que l’air est lourd.
Pour diminuer l’humidité, il faut chauffer l’air ambiant lorsqu’il fait froid.
Lorsqu’on chauffe l’air ambiant, la pression de vapeur saturante augmente (elle augmente
avec a température) et on constate que la pression partielle de vapeur devient très inférieure à
la pression de vapeur saturante. Ce qui conduit à un retard de condensation.
Dans de notre projet, on considère qu’il fait chaud et humide (chaleur apportée par la plaque
et humidité apportée par la vapeur d’eau).
Lorsqu’il fait chaud et humide, il faut une source froide pour permettre le rafraîchissement de
l’air ambiant. Bien sûr il faut prévoir un moyen pour récupérer l’eau condensée. En
rafraîchissant l’air ambiant, la température diminue et finie par atteindre la température de
rosée. L’eau se condense alors et débarrasse ainsi l’air de cet excès d’eau. Le système
récupérant est évidemment en un endroit fixe. C’est la raison pour laquelle on doit faire
circuler l’air ambiant dans un appareil ou il se débarrasse de son eau : c’est l’un des principes
des climatiseurs ; le refroidissement étant obtenu par échange thermique avec l’extérieur
chaud selon le principe de la pompe à chaleur.
• Humidité absolue : c’est la quantité de vapeur que contient l’air humide ; elle
s’exprime en gramme de vapeur d’eau par mètre cube d’air sec.
L’air sec peut contenir plus ou moins d’humidité en fonction de sa température. Plus il est
froid, moins il peut contenir de vapeur d’eau
La quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’air est appelée humidité absolue de
saturation.
But du TP
Résolution du TP
Le but du TP est de :
• Comprendre la différence entre humidité relative et humidité absolue
• Apprendre à déterminer la température du point de rosée
• Faciliter la compréhension du phénomène de condensation (expliquer et montrer le
phénomène)
Données :
• Cp eau = 4185 kJ/kg.K
• Cp vapeur = 2 kJ/kg.K
• k cuivre = 350 W/m 2 .K
Projet n° 0802

• k PVC = 0,2 W/m 2 .K
• Chaleur latente de condensation = 2500 kJ/kg
• Débit vapeur : 4,84 E -4 kg/s
• Surface d’échange du serpentin avec l’extérieure : 0,256 m 2
• Surface intérieure du serpentin : 0,192 m 2
• Surface d’échange totale : 0,441 m 2
I. Questions théoriques
• Pression de vapeur saturante (Psat): c’est la pression partielle de la vapeur d’un
corps pur à partir de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide ou
solide.
• Pression de vapeur saturante de l’eau dans l’air (Pvap): la pression de vapeur
saturante de l’air humide représente la quantité maximale de vapeur d’eau que l’air
peut contenir ; elle augmente avec la température.
• Humidité relative de l’air ou degrés d’hygrométrie : c’est le rapport entre la
pression partielle de vapeur d’eau contenue dans l’air humide et la pression de vapeur
saturante correspondante à la température de cet air humide.
• Humidité absolue : c’est la quantité d’eau contenue dans l’air. c’est le rapport entre
la masse de la de vapeur d’eau en kg par kg d’air sec.
• Température de rosée : c’est la température à laquelle un air humide est à la pression
de vapeur saturante. À cette température le liquide ne peut plus emmagasiner de la vapeur
d'eau sans que celle-ci ne se condense.
• Condensation : la condensation décrit le phénomène physique du passage d'un gaz à
un état solide. Par abus de langage, la condensation désigne aussi le passage d'un gaz à
l'état liquide, mais le terme exact dans ce cas est liquéfaction.
• Chaleur latente de vaporisation : Chaleur nécessaire pour transformer 1 kg d'eau
bouillante en vapeur sans changement de température (énergie thermique nécessaire
pendant le changement d'état liquide à l'état vapeur)
• Conditions de saturations : les conditions de saturation sont les conditions de
pression et de température pour lesquelles le fluide de change de phase.
Par exemple, lorsqu’on chauffe de l’eau jusqu’à une température de 100°C, l’eau
s’évapore ; dans ce cas, les conditions de saturation sont T=100°C et P=Patm.
• A 30°C de température humide et 40% d’humidité relative, les caractéristiques
de l’air sont les suivantes :
Projet n° 0802

Logiciel
psydiag
Température sèche (°C) 42,820
Température humide (°C) 30,000
Température de rosée (°C) 26,330
Humidité relative (%) 40,000
Humidité spécifique (g/kg as) 21,779
Volume massique (m3/kg) 0,926
Masse volumique (kg/m3) 1,080
Enthalpie (kJ/kg) 99,230
• Il s’agit d’un échangeur à co-courant car l’eau froide et la vapeur d’eau circule dans le
même sens.
• L’efficacité de l’échangeur est égale à 100% si on condensait toutes les vapeurs
d’eau ; donc E récupérée = E récupérable.
• Pour qu’il y ait condensation, il faut que la pression partielle de vapeur soit supérieure
à la pression de vapeur saturante de l’eau dans l’air ou encore que la température de
retour soit inférieure ou égale à la température de rosée de vapeur d’eau.
• La puissance récupérée est égale à la puissance utile lorsque le rendement est égal à
100%.
Dans ce cas, l’efficacité de l’échangeur devient :
On peut donc conclure que lorsque le rendement de l’échangeur est de 100%, on peut
calculer l’efficacité en ne connaissant que les températures.
II. Manipulation
a) Mesure des températures
Faisons un tableau dans lequel on fera apparaître le temps, la masse d’eau condensée, les
températures entrée et sortie d’eau et de la vapeur, etc. puis traçons le profil de température de
chaque fluide en fonction de la longueur du tube et l’évolution de la masse au cours du temps
pour les différents cas et concluez.
Débit 125 L/h
Projet n° 0802

Débit 30 L/h
Dans les deux cas, on constate que la masse a une évolution linéaire dans le
temps et que le profil de température correspond bien à celui d’un échangeur
co-courant.
b) Mesures des pressions
• La pression de vapeur saturante est donnée par la formule empirique :
2,7877 + (7,625*Ta) / (241,6+Ta)
Pvsat= 10
Projet n° 0802

On par calcul Pvsat = 1503,27 Pa
• La pression de vapeur est donnée par la formule empirique :
Pv= Pvsat – 0,00064*Pat*DT
On obtient par le calcul Pv= 1503,27 Pa
c) Mesures d’humidité
T [°C] 13
HR [%] 100
r [g/kg] 9,367
v [m3//kg] 0,822
h [kJ/kg] 36,73
Patm [Pa] 101325
Pvs [Pa] 1503
Pv [Pa] 1503
Pas [Pa] 99822
Mesure de l’humidité relative de l’air de deux manières
Vérifiez par le calcul que l’humidité relative est bien de 100%
H = (Pvap / Psat) * 100%
On obtient par le calcul H= 100%
Projet n° 0802

Mesure de l’humidité absolue
Habs = d*Pvap*(P – Pvap)
On obtient Habs = 9,333 g/kg as
Avec le logiciel psydiag on obtient :
De manière empirique, on détermine la température de rosée à l’aide de la formule suivante :
Td = [(H/100)*[112 + (0.9*Th)] + (0.1*Th) – 112] 1/8
On a Td= 13°C
d) Mesure des débits
• Eau condensée :
Projet n° 0802

On relève la masse d’eau condensée toutes les 5 min pendant 30 min et on obtient la
masse totale d’eau condensée au bout de 30 min. On refait la même chose pour des
débits d’eau différents puis on détermine le débit masse d’eau condensée.
Débit condensats au bout de 5 min est de 3,14 E -4 kg/s pour un débit de fluide de
service de 125 L/h et de 1,99 E -4 kg/s pour un débit de fluide de service de 30L/h.
e) Calcul des puissances
• Déterminons la puissance théorique de condensation totale
Pth= débit vapeur*Lv
• Déterminons la puissance frigorifique
Pfrigo = débit eau * Cpeau * DTeau
• Déterminons la puissance réelle des condensats
Pr= débit condensats*Lv
• Déterminons les pertes puis concluez.
Pp= Pth – Pr
Tableau récapitulatif :
Débit eau : 125L/h
Débit eau (kg/s) P théo cond (kW) P cond (kW) P frigo (kW) P tot exp (kW) P pertes (kW)
3,14E-04 1,21E+03 7,84E+02 3,61E+02 1,15E+03 6,47E+01
Débit eau : 30L/h
Débit eau (kg/s) P théo cond (kW) P cond (kW) P frigo (kW) P tot exp (kW) P pertes (kW)
1,99E-04 1,21E+03 4,97E+02 3,63E+02 8,60E+02 3,50E+02
Conclusion sur l’ensemble du TP
Ce TP nous a permis d’observer le phénomène de condensation, de le définir et de
l’expliquer. D’autre part nous savons comment évolue le débit de condensats en fonction du
temps, de la température de l’eau à l’intérieur du frigo, du delta T eau entre l’entrée et la
sortie de l’échangeur ainsi que du delta T de vapeur entre l’entrée et la sortie du tube.
Projet n° 0802

Institut Universitaire de Technologie
Département Génie Thermique et Energie de Pau
Projet n°0802
Thème : Condensation de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère.
Sujet traité : Mise au point d’un TP échangeur diphasique.
Problématique : Recherche et développement d’une structure autonome capable de
condenser l’humidité présente dans l’air.
Principe : L’air ambiant contient un
pourcentage d’eau sous forme de vapeur. En
baissant suffisamment la température de cet
air, apparaît le phénomène de condensation
et donc la formation de nombreuses gouttes.
Nous cherchons à provoquer cette
condensation et à comprendre les différents
paramètres qui la constituent.
Synthèse
Projet n° 0802
Résultats :
Un TP mettant en évidence le phénomène de
condensation a été créé. Il permet d’observer
l’influence de différents paramètres sur la
condensation, et principalement celle de la
variation du débit d’eau froide.
Perspectives et améliorations réalisables à l’avenir :
Répondre aux attentes d’un TP sur la condensation.
Mettre en évidence les variations de quantité d’eau condensée selon les
caractéristiques de l’écoulement, donc de la puissance disponible à l’échangeur (débit
d’eau, température de la source froide).
Domaine : Mécanique des fluides, transfert thermique, échangeurs, maîtrise de l’énergie.
Mots clefs : Condensation, structure autonome, simulation.
Etudiants : Mathias CLAMENS ; Kevin MAKOSSO ; Wivine MENGUE ; Renaud
MOUKOKO.
Tuteurs : Mr Jean BATINA ; Mr Serge BLANCHER.