Chauffer l'air ambiant à l'aide de vapeur d'eau

[alihiani4]

S’il vous plait je suis un agronome et j’ai rencontré un problème technique qui demande des connaissances en thermique et je souhaite trouver une solution suite à votre aide.
J’ai une pièce de 11 m2 et qui contient un réservoir d’eau ouvert du haut et où j’ai mis une résistance chauffante, lorsque la température atteint les 100°c il y a de la vapeur d’eau qui sort pendant une dizaine de minute.
La question qui se pose, c’est combien de degré la température de la pièce va augmenter pour cette durée sachant que la température initiale est de 15°C et la pression est de 1atm et hygrométrie est de 80%.
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[f6bes]

Bjr à toi, Une surface ( 11m2) ce n'est pas un voliume ( de la piéce). On chauffe un volume et non pas
une surface !
De meme ton réservoir il fait quelle dimension et il a une ouverture de combien ?
De plus les parois du réservoir (on ne sait constituer de quoi ?) rayonnerons de la chaleur , au fur
et à mesure de la montée en température.
Le volume d'eau est 100 l ou de 1000 l.
Avant d'ravoir de la vapeur ,faudra un temps différent.
Bonne soirée

[Tam]

Bonsoir Alihiani4 et bienvenue sur ce forum francophone. Nous avons parmi nous un spécialiste qui connait bien les problèmes d'hygrométrie, il va très certainement résoudre ce problème alors attendons l'avis de Cornychon.

[Janpolanton]

Bonsoir,
C'est une culture maraîchère de marocaine.

[A voir en vidéo sur Futura]

[alihiani4]

je te remercie pour tes remarques.
Le volume est de 33m2, le réservoir en cuivre de forme cylindrique est tout ouvert du haut ( volume= 24l) et rempli à fond par de l'eau.
malheureusement je n'ai pas d'info sur le temps que met l'eau pour s'évaporer.
d'ailleurs la pièce est obscure et non atteinte par le rayonnement solaire.

[alihiani4]

Merci et je serai ravi de partager mes connaissances dans le domaine d'agriculture

[cornychon]

Bonsoir Alihiani4 et bienvenue sur ce forum francophone. Nous avons parmi nous un spécialiste qui connait bien les problèmes d'hygrométrie, il va très certainement résoudre ce problème alors attendons l'avis de Cornychon.

Bonjour,
Tu as raison, je vois ce que tu veux dire, mais dans ce domaine, les mots sont importants
On fait appel à l'hygrométrie, lorsqu'on s'intéresse à l'humidité dans l'air ambiant.
Pour le problème posé par alihiani, il faut faire appel à la transmission de chaleur avec changement de phase.

[cornychon]

S’il vous plait je suis un agronome et j’ai rencontré un problème technique qui demande des connaissances en thermique et je souhaite trouver une solution suite à votre aide.
J’ai une pièce de 11 m2 et qui contient un réservoir d’eau ouvert du haut et où j’ai mis une résistance chauffante, lorsque la température atteint les 100°c il y a de la vapeur d’eau qui sort pendant une dizaine de minute.
La question qui se pose, c’est combien de degré la température de la pièce va augmenter pour cette durée sachant que la température initiale est de 15°C et la pression est de 1atm et hygrométrie est de 80%.

Bonjour alihiani,

Dans ton problème, il y a de la transmission de la chaleur par conduction, et par changement de phase (changement d’état pour être moderne).

Les choses sont simples, pour les personnes qui manipulent la transmission de la chaleur depuis plusieurs années, dans le cadre de leurs activités professionnelles, mais horriblement compliqué pour un non spécialiste.

Pour être constructif, il faudra essayer d’expliquer très précisément ce que tu recherches. Si c'est pour chauffer le local, ça ne marche pas.

Ce ne sont pas les calculs qui sont compliqués. Ce qui est compliqué, c’est d’avoir une vue d’ensemble des phénomènes qui se produisent simultanément.

Voici des explications, les plus accessibles possibles :
Le volume d’eau est de 24 litres
Admettons que l’eau avant chauffage, est à une température de 15°C comme le local.

Pour élever de 1°C, 1 litre d’eau il faut lui fournir 1.15 Wh
Pour faire passer 1 litre d’eau qui se trouve à 100°C, de l’état liquide à l’état vapeur, il faut lui fournir 610 Wh

En conséquence, pour 24 litres :
Il faut 1.15 x (100 – 15) 85 = 98 Wh pour monter l’eau de 15°C à 100°C
Il faut 609 x 24 = 15 kWh pour évaporer les 24 litres
Le temps pour passer de 15°C à 100°C dépend de la puissance de la résistance chauffante.
Le temps d’évaporation dépend de la puissance de la résistance chauffante

Admettons que la résistance chauffante soit de 1000 W
Pour passer de 15 à 100°C il faut
Avec 1000 W, pour fournir 98 Wh, il faut :
98 / (1000/60) = 6 minutes

Pour évaporer les 24 litres, il faut
15 000 / (1000 / 60) = 904 mn, soit 15 h
Si tu mets 2 résistances de 1000 W, la durée d’évaporation est divisée par 2, soit 15 / 2 = 7h 30

Attention : Dans ces calculs, on néglige les pertes de chaleur par conduction de la cuve de 24 litres, avec l’air ambiant. Nous allons voir que c’est négligeable.

Pendant cette évaporation, dans le local, il se passe quoi ! ! ! !

1 kg d’eau évaporé, c’est 1 kg de vapeur à 100°C qui sort de ton réservoir.
Si ta pièce n’est pas isolée, l’eau à l’état vapeur, a le temps de redevenir liquide, en se condensant contre les parois. Pour redevenir liquide, la vapeur donne aux parois, la chaleur qu’elle a utilisée pour passer à l’état vapeur
1 kg d’eau à 100°C, qui passe à l’état vapeur, c’est 1 kg de vapeur à 100°C qui va redevenir liquide en se condensant contre les parois.

En clair, la résistance de 1000 W, va pendant 15 h, faire passer 24 kg d’eau de l’état liquide à l’état vapeur. En même temps, (simultanément) cette vapeur va redevenir liquide par condensation. En redevenant liquide, elle cède 1000 W pendant 15 h aux parois du local.

En gros, dans cette histoire, on a utilisé 15 kWh, pour projeter les 24 litres d’eau contre les parois...

Pour faire encore plus simple, on a utilisé 15 kWh, pour renverser au sol, un grand sceau d’eau de 24 litres....

Une autre manière de voir les choses : Avec un local peu isolé, toute la chaleur utilisée pour évaporer l’eau, soit 1000 x 15h = 15 kWh, va être utilisée par la vapeur, pour repasser à l’état liquide.
Cette chaleur de 15 kWh, aura 15h pour passer à travers les parois.

[cornychon]

j'ai dis que ce n'est pas valable pour chauffer un local destiné à y vivre. Mais si c'est dans le cadre de ton travail, pour y faire pousser des plantes, c'est autre chose. Il faudra préciser ce que tu veux faire.

[alihiani4]

Bonjour,
je te remercie pour tes explications précises, et je comprend mieux maintenant les différentes contraintes qui existent. En fait je voulais faire une expérience dans le cadre de mes études en agriculture pour augmenter la température ainsi que l'humidité au sein de la pièce. c'est pour ça que j'ai eu recours à évaporer l'eau en croyant que je pourrais faire les deux en minimisant la consommation d'électricité.

[f6bes]

Remoi, Tun'es guére familiariser avec les unités: un VOLUME s'exprime ( cas présent) en METRE CUBE (m3) et non pas en
METRE CARRE (m2)...(32 m2!!!)
Bien beau de parler de voliume du réservoir, mais ça n'indique en RIEN sa surface d'évaporation.
Tu peux avoir 24l avec une ouverture de 10cm2 ou de 100 cm2 .
C'est tout de meme assez différent en tant qu*''évaporation .
Bonne journée

[alihiani4]

A propos de l'unité de volume, je n'ai pas fait attention c'est plutôt une faute de frappe, et concernant l'ouverture du réservoir elle est d'une surface de 706 cm2.

[cornychon]

Bien beau de parler de voliume du réservoir, mais ça n'indique en RIEN sa surface d'évaporation.
Tu peux avoir 24l avec une ouverture de 10cm2 ou de 100 cm2 .
C'est tout de meme assez différent en tant qu*''évaporation .
Bonne journée

Prenons un exemple :
Depuis la veille, nous avons sur le plan de travail, une casserole remplie d'eau. A l'équilibre thermique, la température de l'eau est pratiquement celle de l'air ambiant. A cette température, il existe une agitation(thermique) des molécules d'eau. Agitation qui provoque l'éjection de plusieurs d'entre elles du liquide. Une fois éjectées, elles sont soit renvoyées vers le liquide ou s'en éloigner.
Bref, même si le processus est à 20 °C, lent, il s'opère néanmoins : la vapeur d'eau est constituée des molécules éjectées du liquide qui se sont mélangées à l'air ambiant.
Posons la casserole sur une plaque chaude de 2500 W
Elle va rapidement monter en températures,
Arrivée à 100°C, elle ne monte plus en température. L’agitation moléculaire continue à monter en fonction de la quantité de chaleur fournie au-dessus de la casserole. Il faut fournir 610 Wh pour évaporer 1 litre d’eau. Si on double la puissance, on double la quantité d’eau évaporée. La surface d’évaporation n’a plus rien à voir.

[f6bes]

Remoi, Moi je veux bien, mais étale 1 litre d'eau sur 1mm d'épaisseur.
Cela représente une surface d'évaporation de.... (je fais pas de calcul)
Je prend la meme quantité d'eau ( 1 l) avec un diamétre 1 cm2
. je doute que cela se fasse avec les conditions indiquées ....(...pendant une dizaine de minute....) (message original)
Bonne journée

[yaadno]

bonjour:et dans cette expérience,comment évolue la tp de la pièce?
cdlt

[cornychon]

[QUOTE=f6bes;6747213]Remoi, Moi je veux bien, mais étale 1 litre d'eau sur 1mm d'épaisseur.
Cela représente une surface d'évaporation de.... (je fais pas de calcul)
Je prend la meme quantité d'eau ( 1 l) avec un diamétre 1 cm2
. je doute que cela se fasse avec les conditions indiquées ....(...pendant une dizaine de minute....) (message original)
Bonne journée[/QU

Salut,

Très bien, nous avons un litre d’eau dans une bouilloire métallique, munie d’une sortie de 1 cm2.
A la température ambiante, l’évaporation totale doit prendre plusieurs années ! !

Nous montons la température de la bouteille à 100°C
Arrivé à 100°C, nous apportons à la bouteille une source chaude de 1200 W. Au bout de 30 mn, la bouteille est vide.
Arrivé à 100°C, nous apportons à la bouteille une source chaude de 2400 W. Au bout de 15 mn, la bouteille est vide.
Si nous apportons plus de chaleur, une couche de vapeur s’introduit entre le métal et le liquide, l’ébullition violente risque de faire monter la pression. Bref : c’est déconseillé.

Dans une bouteille de propane, à 20°C, la pression est de 7 bars. C’est l’équilibre liquide vapeur.
Si on laisse échapper du gaz, le liquide s’évapore, pour remplacer le gaz vapeur prélevé.
Si nous enlevons le robinet, le gaz liquide entre en ébullition à grands bouillons. Le gaz à l’état vapeur sort à grand débit. La pression intérieure de la bouteille monte un peu. Au Bout de quelques petites minutes, la bouteille est débarrassée de son contenu !

[herve78500]

Petite correction,
L'énergie nécessaire E pour élever les 24 L d'eau de 15 à 100°C est donnée par la formule E=1,14xVx(Tfinal-Tinitial) soit E=1,14x0,024x85=2,32 kWh
Et bien sûr le temps nécessaire (hors déperditions thermiques) avec une résistance de 1 kW est 2,32/1= 2,32 h
La surface ouverte sur le dessus est sans importance tant qu'elle ne provoque pas une montée en pression de la vapeur. Si l'ouverture est trop petite, la pression augmente et la température de l'eau augmente également:
On peut utiliser la formule de Duperray P sat=(T/100)⁴
avec P sat la pression absolue en atmosphère ou bars
Par exemple une pression absolue de 2 bars, soit 1 bar en relatif, correspond à 119°C
le volume correspondant à cette vapeur d'eau (masse molaire 18g/mole et 1 mole= 24 L à 20°C) est 24x24000/18= 32000 L ou 32 Nm3, pratiquement autant que les 33 m3 d'air.

En l'absence de pertes thermiques, la vapeur d'eau à 100°C - ayant reçue l'énergie de chauffage de l'eau 2,32 kWh ainsi que l'énergie de chaleur latente 15 kWh- sera mélangée sous forme de vapeur à l'air ambiant c'est à dire les 33 m3.
A 15°C, si l'humidité relative est de 60%, cela correspond à 6,5 g d'eau/kg d'air et une enthalpie spécifique de 32 kj/kg air, alors que la saturation en eau à 15°C se situe à 10,5 g d'eau/kg d'air.
A 15°C et au niveau de la mer, la masse volumique de l'air sec est 1,225 kg/m3, soit une masse d'air de 40,425 kg d'air pour 33 m³
En restant à 15°C, le local aurait une capacité d'accueil de (10,5-6,5)x40,425=161,7 g, très inférieure aux 24 kg de vapeur d'eau. Donc, une partie du mélange air+vapeur devra être évacué ou condensé.
La vapeur dégagée va en partie se condenser sur les parois et le sol plus froids, mais une autre partie devra être évacuée à l'extérieur. Si c'est principalement l'air qui est évacué, la vapeur en se condensant va apporter aux parois et à l'air les 15 kWh de chaleur latente ainsi éventuellement qu'une partie de 2,32 kWh de chauffage de l'eau.
Si les 15 kWh étaient intégralement transférés à l'air cela correspond à 15/40,42=0,371 kWh/kg air ou 1336 kJ/kg air ce qui est considérable, pour un air à 100% de Hr, l'enthalpie de 1330 kJ/kg air correspond à 78°C !!!
Bien sûr si la moitié de cette chaleur est perdue (échauffement des parois) ou évacuée, il reste environ 665 kJ/kg air soit pour 100% de HR, une température de 67°C
Et si 10% seulement sont transférés à l'air, pour 100% de HR, cela correspond à 36 °C.

[yaadno]

Bravo Hervé pour ces explications;A méditer pour ceux qui veulent faire un sauna ou une piscine chauffée à l'intérieur;
cdlt

[alihiani4]

Merci herve pour cette explication précise, elle m'aidera bien pour mener mon expérience.

[cornychon]

bonjour:et dans cette expérience,comment évolue la tp de la pièce?
cdlt

Salut,

Dans l’expérience, nous avons une source de chaleur de 1000 W, dans un local de 33 m3, dont les fuites d’air sont considérées comme négligeables
À l’équilibre thermique, les 1000 W de la source de chaleur passent par les parois du local.
Entre les deux isothermes air intérieur et air extérieur du local, il existe une résistance thermique globale de conduction. Rth
Rth = ∆T / Ø
La différence de températures entre l’intérieur et l’extérieur est en gros de ∆T = Rth x 1000
Avec l’eau qui est en ébullition il se passe des choses amusantes, mais le bilan énergétique reste simple.
Sur la transmission de la chaleur, il y a des paramètres qui ne sont pas pris en compte, mais dans une approche pratique, ils sont marginaux.

[cornychon]

Petite correction,
L'énergie nécessaire E pour élever les 24 L d'eau de 15 à 100°C est donnée par la formule E=1,14xVx(Tfinal-Tinitial) soit E=1,14x0,024x85=2,32 kWh

Salut,
Effectivement, 98 Wh c’est pour 1 litre. J’ai oublié de multiplier par 24 litres. C’est donc 98 x 24 = 2352 Wh...
Pour le reste, dans mon approche, pour faire au plus simple, j’admets que pour 1000 W, 33 m3, ambiante int et ext de 15°C, toute la vapeur se condense.