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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 23.03.09

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Principe de fonctionnement

Un humidificateur à pulvérisation d’eau froide peut être utilisé :

  • soit pour l’humidification directe des grands locaux (halls de fabrication, ateliers, …),
  • soit comme un des éléments insérés dans une centrale de traitement d’air.

Le principe commun à tous les systèmes à pulvérisation est de créer un fin brouillard par des micro-gouttelettes d’eau froide en suspension. Le mélange eau – air doit être intime afin que l’évaporation de l’eau puisse se faire le plus rapidement possible.

Quelques gouttelettes non évaporées risquent d’être entraînées par le jet d’air, si bien que l’on prévoit un casse-gouttelettes à la sortie : si l’air évolue souplement entre les lamelles, les gouttes se fracassent sur les ailettes, entraînées par leur masse cinétique !
Il existe des systèmes où l’on travaille « à refus », avec comme objectif d’approcher la saturation de l’air. Dans ce cas, l’eau excédentaire, qui n’a pas pu s’évaporer, retombe dans le bac au fond du caisson où une pompe la recycle vers la rampe de gicleurs.
Dans d’autres systèmes, on pulvérise seulement la quantité d’eau nécessaire, en travaillant à débit variable en fonction des besoins.

Évolution dans le diagramme de l’air humide

Dans l’humidificateur, les micro-gouttelettes passent de l’état liquide (eau) à l’état gazeux (vapeur). Ce changement d’état demande de la chaleur (dite « chaleur de vaporisation »).
Cette chaleur est prise sur l’air qui se refroidit en traversant le caisson (c’est un peu comme l’impression de froid ressentie en sortant du bain : l’eau présente sur notre peau s’évapore, en prenant la chaleur de vaporisation sur notre corps … qui se refroidit!).
Le bilan énergétique global est neutre : la chaleur perdue par l’air est transférée dans la vapeur d’eau contenue dans l’air. On parle d’un bilan enthalpique neutre. On dit encore qu’il s’agit d’un humidificateur isenthalpique ou adiabatique. Dans le diagramme de l’air humide, l’air subit un refroidissement dessiné le long d’une isenthalpique.

Exemple : de l’air à 20°C 30 % HR sort de l’humidificateur à 12°C et 85 % HR.
Remarques.

  • En réalité, cette évolution s’écarte légèrement d’une isenthalpe, car on devrait tenir compte de l’enthalpie de l’eau froide, mais la différence est négligeable. 
  • Lorsque l’eau est recyclée en permanence, la température de l’eau se stabilise à la température de bulbe humide th de l’air (dans l’exemple : 11,3°C)

Il est intéressant de prendre conscience de l’impact technologique de ce type d’humidification sur le traitement d’air en hiver : deux échangeurs de chaleur seront nécessaires, au moins pour les humidificateurs sans recyclage, pour réaliser préchauffe et postchauffe.

Technologie

Appareils à pulvérisation par buses fixes, à eau recyclée, à débit constant

Dans ce cas, on parle d’un caisson « laveur d’air », dans lequel un brouillard est créé par la pulvérisation de micro-gouttelettes d’eau. L’air est pulsé au travers de cette « drache nationale » et en ressort … mouillé ! En pratique, le degré hygrométrique de l’air à la sortie est proche de 95 %. en réalité, seulement 1 % peut-être du débit d’eau pulsé est évaporé !
Les laveurs à pulvérisation présentent une ou deux rampes de gicleurs, disposées à courants parallèles et/ou à contre-courant.
L’eau évaporée ne contient pas de sels. Ceux-ci retombent avec l’eau excédentaire dans le bac, au fond de l’humidificateur. La concentration en sel dans l’eau du bac augmente régulièrement si bien qu’il est prévu une déconcentration par un renouvellement périodique de cette eau. Un robinet à flotteur permet l’alimentation automatique en eau d’appoint pour compenser les pertes par évaporation et le débit de déconcentration. À noter que la fréquence de déconcentration peut être automatisée par une mesure de la conductivité thermique qui augmente avec la teneur en sels.
Le châssis du laveur sera agressé par le mélange eau-air. Il est donc recommandé d’utiliser une structure en matériau synthétique, armé de fibres de verre. Son isolation thermique est également meilleure, ainsi que sa tenue aux produits d’entretien et désinfectants. Si de l’eau déminéralisée est utilisée, le châssis en matériau synthétique s’impose. Les châssis en acier galvanisé ne sont plus à recommander.
L’efficacité d’un laveur d’air, c’est-à-dire le pourcentage d’humification effectif ramené au pourcentage d’humidification maximal (celui qui amène l’air à la saturation) est de l’ordre de 85 à 95 %. Ceci est fonction :

  • du nombre de gicleurs,
  • de la direction de la pulvérisation (l’efficacité étant meilleure à contre-courant),
  • de la longueur du caisson (en général de 1,5 à 3 m),
  • de la vitesse de l’air (généralement 2 à 4 m/s, mais pouvant atteindre 7 m/s),
  • du degré de pulvérisation, soit le rapport masse en eau/masse en air (en général de 0,3 kg d’eau par m3 d’air)

Il importe de ne pas confondre un rendement d’humidificateur de 85 % et un humidificateur qui humidifie l’air jusqu’à 85 % HR ! De l’air entrant à 40 % dans un laveur à 85 % d’efficacité en ressort à 40 % + 0,85 x (100 % – 40 %) = 91 % HR.

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à débit variable

Il est possible d’équiper les humidificateurs de pompes à débit variable (via un convertisseur de fréquence, par exemple). Si deux rampes sont prévues, une peut être fixe et l’autre variable, afin d’assurer en permanence une bonne adaptation du débit aux besoins des locaux. La régulation n’est cependant pas aussi précise qu’avec des humidificateurs à vapeur.
Les inconvénients du recyclage sont évités, ce qui est favorable sur le plan hygiénique, mais les sels restent en suspension dans l’air, ce qui peut entraîner le besoin de traiter l’eau au préalable.

Dans un hall industriel.

Dans un caisson de traitement d’air.

Variante : appareils à pulvérisation par centrifugation

Il s’agit de disques tournant à 3 000 tours/minute qui, par l’action de la force centrifuge, pulvérisent des aérosols aqueux d’un diamètre de l’ordre de 5 à 20 microns (µm). Ces micro-gouttelettes sont cette fois totalement évaporée dans l’air pulsé.

Si bien que les sels présents dans l’eau sont véhiculés vers les locaux ! La décision d’alimenter ces appareils avec de l’eau déminéralisée dépend des exigences hygiéniques et de la sensibilité des équipements présents dans les locaux (matériel informatique, par exemple). Le traitement de l’eau ne peut pas se faire par un adoucisseur traditionnel (car son principe est basé sur l’échange entre sels calcium et sels sodium) mais, par exemple, un système par osmose inverse.
Ce type d’appareil demande un espace suffisant pour que les micro-gouttelettes puissent s’évaporer avant de rentrer en contact avec un obstacle quelconque.
Si un appareil à centrifugation est introduit dans un caisson de climatisation en remplacement d’un laveur, par exemple, le dimensionnement en sera fort critique puisque la longueur minimale de vaporisation est fonction de la température de l’air, des débits d’eau et d’air, de l’humidité absolue recherchée, de la section du caisson, de la vitesse de l’air, … Le risque est amplifié par le fait que le séparateur de gouttelettes n’est pas toujours capable d’arrêter d’aussi fines particules. Un certain nombre d’entre elles seront entraînées par le flux d’air. Une solution consiste alors à placer un filtre à poche en aval de l’humidificateur. Ce filtre humide retiendra d’ailleurs une partie des minéraux. Mais… d’une part ces sels calcaires colmateront le filtre par des dépôts durs (augmentant les pertes de charge) et d’autre part ce milieu humide sera propice au développement de germes !
Pour les appareils à humidification directe, il existe des modèles déposés sur pied, suspendus au plafond, ou fixés sur un mur.

Variante : appareils à pulvérisation par buse rotative

Ce système, développé au départ pour la pulvérisation aérienne de terrains agricoles, est depuis peu adapté aux besoins de la climatisation de bâtiments. Un moteur de 300 Watts entraîne une buse rotative à 11 000 tours/minute. Des aérosols de 20 à 30 microns sont produits. Il est intéressant de se rendre compte que le débit variable est obtenu par une modulation du débit d’eau mais que la vitesse de rotation reste elle inchangée (ainsi que la taille des gouttelettes).
Une telle vitesse est obtenue par un variateur de fréquence. Ce qui rend l’appareil relativement coûteux.
On retrouve ici les problèmes liés à la propagation de sels dans les locaux et la sensibilité à l’espace minimum nécessaire pour l’évaporation, peu compatible avec la dimension des caissons (voir variante « pulvérisation par centrifugation« ).

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à eau pressurisée

De l’eau, sous une pression de 70 bars, est pulvérisée sur une aiguille qui brise le jet. Des aérosols de 2 à 50 microns sont produits, avec un débit fonction de la pression.
Les applications se situent essentiellement dans l’humidification des grands espaces industriels et agricoles.

Variante : appareils à pulvérisation par buses fixes à eau et air comprimé

Cette fois, c’est l’air comprimé qui est le propulseur et qui entraîne l’eau par dépression.
Ceci permet des aérosols de très faibles diamètres (5 à 10 microns) et une très bonne diffusion de ceux-ci dans l’air.

L’air pulsé doit être exempt de toutes impuretés.
Ils sont souvent utilisés pour l’humidification directe des grands espaces (débits importants de plus de 250 kg/h) mais également pour l’humidification de caissons de climatisation très volumineux. Dans ce cas, un séparateur de gouttelettes est superflu, vu la dimension des particules.
À titre d’exemple, une augmentation d’humidité absolue de 5 gr d’eau par kg d’air sec et une vitesse d’air de 2,5 m/s demande une profondeur pour le dard d’humidification de 3 à 4 m.
Dès lors, en climatisation par réseau de gaines, la difficulté réside dans l’emplacement des équipements.
De plus, la technologie à mettre en place (et leur maintenance…) est plus lourde, vu les deux fluides à préparer.
La régulation se fait par action sur la proportion d’air comprimé.
Le coût d’exploitation est généralement plus élevé que dans le cas des autres systèmes à pulvérisation.

Variante : appareils à pulvérisation par ultrasons

Le principe de fonctionnement de l’appareil est basé sur la mise en vibration d’une lame métallique (convertisseur piézo-électrique) à 1,65 MHz, cette lame étant située sous une couche d’eau. L’inertie de l’eau est telle qu’elle ne peut suivre le rythme. Les dépressions et les surpressions successives créent des micro-bulles qui remontent vers la surface. Du bouillonnement, jaillissent en surface des micro-gouttelettes (7 à 10 microns). De plus, des ondes sonores sont générées en surface, ce qui renforce les chocs entre les molécules.

Un brouillard s’élève de la surface…
Le débit d’eau atomisée est situé entre 1 et 20 kg/h, suivant le type d’appareil.
La puissance électrique absorbée est faible puisque l’énergie de vaporisation n’est pas assurée par l’appareil (seul le fractionnement mécanique en gouttelettes est réalisé). Elle se situe autour des 50 à 100 W par kg/h, soit moins de 10 % de la puissance demandée par un humidificateur à vapeur.
L’eau doit être déminéralisée préalablement.
Un rinçage automatique est conseillé (remplacement périodique de l’eau dans l’appareil), afin d’éviter le développement de germes, mais la consommation totale en eau de l’appareil reste beaucoup plus faible que dans les autres types d’humidificateurs.
Si l’appareil est disposé dans une gaine, une vitesse de 1,5 à 3 m/s est requise pour le balayage de l’air au-dessus de la surface de l’eau. Ceci sous-entend parfois que la section du gainage soit augmentée pour réduire la vitesse.
L’humidificateur à ultrasons peut être placé directement dans l’ambiance à traiter. Il existe également des modèles prévus pour être intégrés dans un ventilo-convecteur.

Variante : appareils à pulvérisation par infrasons

Au départ, il s’agit d’un pulvérisateur à buse fixe alimentée par de l’eau à très haute pression (jusqu’à 200 bars, grâce à une pompe à pistons). A la sortie de la buse, les fines gouttelettes d’eau sont pulvérisées dans l’air. Mais, pour favoriser l’évaporation, cet air est mis en vibration préalablement au moyen d’ondes de très basse longueur d’onde : inférieure à 20 Hz ! On les appelle des infrasons dans la mesure où l’oreille humaine est incapable de les entendre.
Des débits d’eau importants peuvent être pulvérisés (de 20 à 400 kg/h).
Cet appareil permet de réguler le débit d’eau pulsé entre 8 et 100 % et ce, grâce à la modulation de la pression de l’eau dans la buse. Un variateur de vitesse par convertisseur de fréquence agit sur la vitesse du moteur électrique qui entraîne la pompe à pistons. A vérifier : ce système permet-il de conserver la taille des micro-gouttelettes quelle que soit la pression ?
Seulement 50 % de l’eau pulvérisée est effectivement vaporisée. L’excédent doit être recueilli et évacué. Ce qui repose la question du traitement hygiénique de l’humidificateur (stérilisation par lampes à ultraviolets) et qui impose son nettoyage régulier.
La puissance électrique absorbée est vraiment très faible : autour de 6 W par kg/h, soit moins de 1 % de la puissance demandée par un humidificateur à vapeur. En effet, l’énergie de vaporisation n’est pas assurée par l’appareil (seul le fractionnement mécanique en gouttelettes est réalisé) et le rendement mécanique de l’opération est excellent.
La perte de charge générée dépend de l’espacement entre les buses mais se situe, pour un espacement standard de 20 cm, entre 30 Pa (vitesse de 2 m/s) et 170 PA (5 m/s).

Avantages

D’une façon générale, les humidificateurs par pulvérisation :

  • Engendrent moins de pertes de charge que le laveur à ruissellement.
  • Ne présentent pas l’inconvénient de l’encrassement de la surface de ruissellement.

Les humidificateurs à eau froide prennent sur l’air la chaleur de vaporisation de l’eau. L’énergie de vaporisation est donc apportée par le chauffage de l’air, au moyen d’une batterie de chauffe, par exemple. Ceci permet d’utiliser un combustible traditionnel (fuel, gaz, …), plus avantageux que le vecteur électrique utilisé dans la plupart des humidificateurs à vapeur, par exemple (voir comparaison du prix des énergies).
En particulier,

  • Les appareils à pulvérisation par centrifugation ou par buse rotative, permettent une régulation du débit d’eau sur hygrostat.
  • Les appareils à pulvérisation directe dans un local sont de puissance électrique faible et de grande facilité d’installation.

Inconvénients

Les humidificateurs par pulvérisation avec eau recyclée présentent les inconvénients hygiéniques liés à la stagnation de l’eau au fond du bac de ruissellement. Un entretien régulier est indispensable ce qui augmente les coûts d’exploitation.
La consommation en eau liée à la déconcentration n’est pas négligeable.
L’intégration des humidificateurs par pulvérisation sans recyclage d’eau n’est pas toujours aisée dans un caisson de climatisation vu la portée du diffuseur et le risque d’humidification des conduits par des micro-gouttelettes non arrêtées par le séparateur.

Maintenance

Lorsqu’on parle d’humidification surgit très souvent la crainte de la légionellose. Il faut savoir que les légionelles se multiplient à partir d’une température de 20°C; la croissance est maximum jusqu’à environ 45°C. Elles meurent dès qu’on dépasse 60°C.
Ce type de bactérie se développe en eau stagnante, en présence de substances organiques, d’algues vertes, d’amibes, tartre, etc.
Il est conseillé, sous réserve des précautions habituelles, de désinfecter les agrégats pendant 48 heures avec 5 à 10 ppm de chlore dans l’eau.

Précautions à prendre

Pour minimiser les risques de présence excessive de légionelles, on peut :

  • Se rappeler qu’en été la température de l’eau de ville est plus élevée qu’en hiver. Un bac stockant de l’eau risque d’être un bouillon de culture.

    Éviter des tuyauteries plastiques transparentes. L’eau déminéralisée semble être sensible à la lumière et cela favorise l’apparition d’algues.

  • Les humidificateurs travaillant avec de l’eau à une température supérieure à 60°C ne présentent pas de risque, pour autant qu’il n’y ait pas de longues interruptions sans vidange.
  • Installer des appareils avec rayons ultraviolets. En effet les rayons UV ont la propriété de tuer les légionelles. Mais la durée de vie des lampes à ultraviolets est limitée dans le temps. Un remplacement s’impose après un certain nombre d’heures.
  • Attention aux périodes d’arrêt de l’installation, qui entraînent la prolifération de germes ! Une vidange et un nettoyage s’imposent, au moins deux fois par an et au mieux une fois par mois. Idéalement, on peut automatiser la chose :
    • par horloge,
    • par un système de mesures qui commande la vidange dès que la température de l’eau dépasse un seuil (en fonctionnement, la température s’abaisse à la*température de bulbe humide* de l’air),
    • on sera attentif, lors de la sélection du matériel, à la facilité de démontage des buses pour un entretien facile.
  • Le contrôle d’une éventuelle humidification de la gaine à la sortie du caisson est utile pour prévenir tout foyer de développement de germes. Cela pourrait être la conséquence d’une vitesse trop élevée de l’air dans le caisson, emportant les gouttelettes au-delà du séparateur.

Traitement de l’eau

Afin d’éviter l’entartrage des pulvérisateurs, il est conseillé d’utiliser une eau ayant subi un adoucissement puis un mitigeage pour atteindre 10 à 15°F de dureté.
Le constructeur précise le pourcentage de déconcentration à adopter en fonction de la qualité de l’eau initiale. Un calcul du débit de déconcentration est proposé.
Dans le cas des humidificateurs à pulvérisation sans recyclage, pour éviter que les sels ne soient dispersés dans l’ambiance, il est utile de déminéraliser l’eau pulvérisée. Il faut distinguer ici « déminéralisation » et « adoucissement » de l’eau. La déminéralisation élimine les sels présents (par carbonation ou osmose inverse) tandis que l’adoucissement échange les ions calcaires et magnésium par des ions sodium. Adoucir, technique plus classique et moins onéreuse, n’évite pas le problème de la diffusion des sels dans l’ambiance.

Régulation

Pour les humidificateurs d’ambiance directe

On utilise généralement des humidificateurs par action tout ou rien sur la pompe de gicleurs ou par étagement de rampes, l’hygrostat enclenchant l’appareil lors du dépassement d’un seuil réglable. Un hygrostat supplémentaire de sécurité est également prévu pour limiter le risque en cas de panne du premier régulateur.

Pour les humidificateurs en conditionnement d’air

Pour les humidificateurs à ultrasons comme pour les systèmes à pulvérisation, on préférera une régulation à action progressive. Si l’humidificateur est placé dans une gaine, on complétera par un limiteur maximal d’humidité.

Pour les laveurs d’air

La régulation des laveurs d’air est traditionnellement basée sur le point de rosée du point de soufflage. Autrement dit, l’humidificateur fonctionne en continu et humidifie toujours l’air au maximum ( …85 %… en pratique). Le réglage de la batterie de post-chauffe se fait sur la température de l’ambiance, le réglage de la batterie de préchauffe se fait sur le degré d’humidité relative de l’ambiance.

Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais pose des problèmes en mi-saison et en été. Si elle est choisie, l’arrêt de l’humidificateur pour une température extérieure dépassant un seuil (de 5°C à 10°C), évite ce risque et permet des économies énergétiques importantes, mais le respect d’une consigne fixe de 50 % HR ne pourra plus être assuré…

Précautions générales

  • Il est prudent d’asservir le fonctionnement de l’humidificateur à celui du ventilateur, pour éviter tout risque d’humidification des gainages.
  • De prendre des dispositions particulières en vue de protéger la tuyauterie d’alimentation en eau et le réservoir d’eau de l’humidificateur de tout risque de gel.

Prédimensionnement

calculs

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