Séchage par condensation - quantité d'énergie nécessaire

[greg_oire]

Bonjour,
j'essaye de mettre au point un moyen de sécher du linge par un procédé qui ressemble à un séche linge à condensation :
- Le linge est dans une cuve hermétique, une pompe aspire l'air de cette cuve par le haut et le comprime.
- l'air s'échauffe du fait de cette compression.
- Il passe ensuite dans un échangeur de chaleur qui le refroidit, l'humidité présente dans cet air condense et est évacuée.
- A la sortie de l’échangeur, l'air est donc plus froid et plus sec.
- il passe ensuite par un détendeur -> il devient encore plus froid.
- cet air froid alimente ensuite l’échangeur de chaleur qui a servi a condenser l'humidité.
- il en sort donc plus chaud et sec.
- il retourne ensuite dans le bas de la cuve pour se charger d'humidité à travers le linge et recommence un cycle en étant aspiré de nouveau par la pompe.

si je prend
- un détendeur avec une différence de pression de 10⁵ Pa
- une pompe d'un débit de 0.06 m³/s
- 1000Kg de linge à sécher contenant 50% d'humidité

Comment faire pour calculer le temps nécessaire pour sécher ce linge?
Merci d'avance si vous avez des pistes.
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[greg_oire]

Dans le processus il y a une variante possible : récupérer la condensation à la sortie du détendeur.
Mais je ne suis pas sur que ça soit réellement utile car la condensation qui va entrer dans l'échangeur de chaleur permettra de refroidir plus efficacement l'air chaud comprimé et de ce fait une plus grande partie de l'humidité de cet air sera extraite....
Est-ce que vous avez un avis sur ce point-là?
Merci.

[LPFR]

Bonjour.
Je ne sais pas calculer l'ensemble. Il faut faire un tas de suppositions sur les rendements des pompes et des échangeurs de chaleur. Et pour cela il faut de l'expérience.

Mais je ne suis pas convaincu (au pif) que la manip de compresser l'air soit très intéressante. Je n'ai pas l'impression que l'énorme dépense d'énergie soit compensée par la quantité supplémentaire d'humidité condensée.
Je pense aux systèmes déshumidifieurs habituels formés par une pompe à chaleur dans laquelle l'air humide extrait du tambour passe par le radiateur froid où il se refroidit et perd une bonne partie de son humidité, puis passe par le radiateur chaud où il se réchauffe, et il est renvoyé dans le tambour. J'ai l'impression (toujours au pif) que c'est aussi rapide que votre système pour une dépense énergétique bien inférieure.
Mais c'est du pif. Il faudrait tout calculer.
Au revoir.

[invite2313209787891133]

Bonjour
Je ne vois pas comment la condensation pourrait refroidir l'air chaud, ça devrait plutôt être l'inverse (mais je n'ai peut être pas compris ton système).
Pourrais tu mettre un petit schéma ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[greg_oire]

pour moi (mais je me trompe peut-être) la condensation présente dans l'air froid permet d'absorbé de l’énergie lorsqu'elle se vaporise grâce la chaleur latente de l'eau.
ci-dessous le schéma:

[greg_oire]

Merci LPFR pour ta réponse,
Le système tel que je le pensais est une simplification du système que tu décrit : au lieu de comprimer un fluide frigorigène et d'avoir deux échangeurs de chaleur je comprime directement l'air qui circule dans le linge.
J'ai effectivement un doute pour savoir lequel des deux systèmes sera le plus efficace énergétiquement. Mais j'ai le sentiment qu'en multipliant les échangeurs de chaleur on dégrade le rendement.
pour ce qui est des approximations :
-Pour le rendement de la pompe on ne s'en occupe pas on prend par exemple une pompe qui consomme 2kW et qui fournit le débit de 0.06 m3/s (dans la partie basse pression du circuit).
- pour l'échangeur de chaleur pour simplifier les calculs on peut supposer qu'on récupère les condensat a la sortie du détendeur et qu'il n'y a pas de changement de phase au cour du transfère, que l'échangeur n'a pas de perte thermique et que son sont rendement est de 100% dans un premier temps (on pourra essayer avec un rendement plus réaliste ensuite pour voir si ça à une grande influence).
- on peut supposer aussi qu'on s'arrange pour que l'air entrant dans la pompe ai toujours la même température par exemple 25°C (on néglige la chaleur qui s'accumule dans le circuit, ou on suppose qu'on l'évacue.)
- La partie qui est à mon avis la plus difficile à calculer est : quelle quantité d'humidité va être transmise par le linge humide à l'air sec en fonction du taux d'humidité du linge et du taux d'humidité de l'air "sec".
A mon avis il faut trouvé une relation entre les taux d'humidité dans toute les parties du circuit. Trouver la quantité de condensation qu'on évacue en fonction du taux d'humidité. Et ensuite ajouter la composante temps pour décrire la quantité d'eau restant à évacuer en fonction du temps.

[LPFR]

Bonjour.
À côté d'autres suppositions, je pense que c'est raisonnable de penser qu'au début, l'air sort saturé en humidité.
Si l'agitation du linge et de l'air est suffisante, on ne doit pas être loin de la réalité.
Évidement, à mesure que le linge sèche, l'hypothèse devient de plus en plus mauvaise.
Car le transfert d'eau dépend de toute la géométrie du linge et de la façon plus ou moins efficace avec laquelle il est "aéré" dans le tambour.
Mais la calcul avec l'hypothèse d'air saturé dans les deux schémas doit être une bonne façon de comparer les deux méthodes.
Au revoir.

[greg_oire]

Oui je pense que toute la question est de savoir avec quelle efficacité l'air va se charger d'humidité au contact du linge.

Je me demande si on aurait pas intérêt a prendre le problème dans l'autre sens. On sait que pour évaporer les 500Kg d'eau il nous faut env 1.25*10⁹ J ( env 350kWh). La seule énergie qu'on fournira sera les 2kW de la pompe. Donc même si il n'y a aucune perte et que toute l’énergie que l'on fournit à la pompe est efficace il me faut 175 heures pour sécher mon linge. (mon objectif était d'y arriver en 4 ou 5 heures).
Est-ce que mon raisonnement tient la route?

[LPFR]

Oui je pense que toute la question est de savoir avec quelle efficacité l'air va se charger d'humidité au contact du linge.

Je me demande si on aurait pas intérêt a prendre le problème dans l'autre sens. On sait que pour évaporer les 500Kg d'eau il nous faut env 1.25*10⁹ J ( env 350kWh). La seule énergie qu'on fournira sera les 2kW de la pompe. Donc même si il n'y a aucune perte et que toute l’énergie que l'on fournit à la pompe est efficace il me faut 175 heures pour sécher mon linge. (mon objectif était d'y arriver en 4 ou 5 heures).
Est-ce que mon raisonnement tient la route?

Re.
Vous avez raison, c'est bien par là qu'il fallait commencer.
La conclusion est, il me semble, qu'il faut utiliser la puissance pour faire circuler de l'air en quantité et en circuit ouvert et c'est cet air qui apportera la chaleur pour évaporer l'eau.
A+

[greg_oire]

Je me demande si je n'ai pas un peut trop simplifié les choses. Si on regarde de loin, on à 500 litres d'eau condensée au départ et on à 500 litres d'eau condensée à l’arrivé. Une grande partie de l'énergie qui a été fournie pour évaporer l'eau du linge est restitué au processus lors de la condensation dans l'échangeur de chaleur. Donc théoriquement la seule énergie consommé est dissipée dans les perte thermique et les perte de charges liées au frottement de l'air dans le circuit.
Par exemple si je prend les données technique d'un sèche linge du commerce pour passer 7 Kg de linge de 70% à 10% d'humidité il consomme 2kWh. Cela correspond à 4.2 litres d'eau. Cela revient donc à consommer 238 kWh pour 500 litres. Ça fait toujours beaucoup mais ça prouve que c'est moins que l’énergie nécessaire pour évaporer l'eau.
Donc il faut s’atteler au calcul des pertes dans le processus.

[LPFR]

Bonjour.
J'ai continué à réfléchir moi aussi et je suis arrivée à la même conclusion, que la condensation restitue la chaleur d'évaporation.
Mais la comparaison avec un sèche-linge ménager n'est pas très bonne. Ils fonctionnent en cycle ouvert en chauffant l'air en entrée.
Si on compare aux climatiseurs ménagers en fonctionnement comme déshumidifieurs, ça doit donner des chiffres plus comparables.
En tout cas, ça mérite de faire des calculs.
Bon courage.
Au revoir.

[invite2313209787891133]

Bonjour

pour moi (mais je me trompe peut-être) la condensation présente dans l'air froid permet d'absorbé de l’énergie lorsqu'elle se vaporise grâce la chaleur latente de l'eau.

La seule énergie que tu pourrais céder ce serait la chaleur massique, ce qui ne représente pas grand chose par rapport à la chaleur latente.

Je me demande si on aurait pas intérêt a prendre le problème dans l'autre sens. On sait que pour évaporer les 500Kg d'eau il nous faut env 1.25*10⁹ J ( env 350kWh). La seule énergie qu'on fournira sera les 2kW de la pompe. Donc même si il n'y a aucune perte et que toute l’énergie que l'on fournit à la pompe est efficace il me faut 175 heures pour sécher mon linge. (mon objectif était d'y arriver en 4 ou 5 heures).
Est-ce que mon raisonnement tient la route?

Ce que tu décris est une machine thermique, qui obéit au cycle de Carnot. Tu ne fourni pas l'énergie pour évaporer l'eau, mais tu la déplace d'une source chaude à une source froide.

Le montage tel qu'il est représenté ne peut fonctionner, car assez rapidement la température des flux va s'égaliser de chaque coté de l'échangeur et ça ne fonctionnera plus. Il faut ajouter un dissipateur.
Ce qu'il faut commencer par faire c'est regarder l'enthalpie véhiculée par chaque flux et celle qui est cédée lors de chaque transformation.

[greg_oire]

Merci Dudulle pour ta piste sur le cycle de Carnot. Je sais pas si je vais y arriver mais je vais essayer de calculer le travail théorique nécessaire pour évaporer mon eau.
J'ai trouvé un dispositif qui ressemble un petit peut a ce que je veux faire, c'est une unité d'évaporation simple-effet avec compression de vapeur qui sert a dessaler l'eau de mer ( http://culturesciences.chimie.ens.fr...entEauMer.html - figure 5). Ce procédé permet de d'évaporer un m³ d'eau avec un dizaine de kWh !
Tu dis qu'il faudrait un dissipateur pour pas que les températures s'égalisent dans toutes les parties du circuit . Pour moi l'évaporation de l'eau du linge absorbera de la chaleur et empêchera que les températures s'égalisent. Il me faudra peut-être quand même un dissipateur pour éviter de monter trop en température. Lorsque les températures s'égaliseront dans le circuit c'est qu'il n'y aura plus d'eau à évaporer ce sera le signe que le processus est terminé.
C'est comme ça que je vois les choses, mais je me trompe peut-être.
Peux-tu préciser les raisons qui te font croire que les température s'égaliseront?

[invite2313209787891133]

Peux-tu préciser les raisons qui te font croire que les température s'égaliseront?

A cause du second principe de la thermo.
Imagines un réservoir d'eau chaude, cette eau est utilisée pour prendre une application quelconque, puis elle passe dans un échangeur et réchauffe de l'eau froide. Cette eau froide réchauffée retourne dans le réservoir d'eau chaude.

En théorie on pourrait faire tourner l'eau indéfiniment et ne plus avoir besoin de la chauffer, mais en pratique ça ne marche pas car il y a des pertes un peu partout, et ces pertes mêmes infimes vont faire dériver le système jusqu'à ce que l'ensemble tende à la température de l'eau froide.

Ici le principe est le même, il n'y a pas de source d’énergie primaire, donc tout finira par tendre vers la température ambiante.

Par ailleurs, comme je te l'avais conseillé un peu plus haut, si tu regarde les enthalpies, véhiculées par chaque flux et à chaque transformation, tu verras qu'il y a un truc qui ne colle pas.

[greg_oire]

J'avoue que je ne suis pas du tout à l'aise pour calculer les enthalpies. Est-ce que tu peux éclairer ma lanterne?
Ton exemple avec l'eau chaude est clair mais dans ce cas là on ne fournit qu'une énergie minime pour faire circuler l'eau.
Dans mon cas on fourni un travail de compression qui permet d'assurer dans tout les cas une différence de température entre l'air entrant et l'air sortant du compresseur.
Tant qu'il y aura de l'eau à évaporer, une petite partie de l'énergie nécessaire pour vaincre la chaleur latente de vaporisation sera fournie par l’échauffement du au compresseur et au mouvement de l'air (pas l'échauffement de compression mais juste les échauffements dus aux frottements) et la majorité de cette énergie sera fournie par la restitution de la chaleur latente lors de la condensation.
Lorsqu'il n'y aura plus d'eau à évaporer la température de l'ensemble va monter jusqu’à ce que les déperditions équilibrent l'apport d'énergie du compresseur. Mais même à ce moment là toute les parties du circuit ne seront pas à la même température.
Que penses-tu du système de dessalement auquel j'ai fait référence dans le précédant post. Parce que là aussi si on applique ton raisonnement l'eau de mer ne devrait pas chauffer.

[invite2313209787891133]

L'exemple du dessalement est différent: Il n'y a pas d'air, et la plage de pression est plus large.

J'ai fais les calculs en prenant tes chiffres, je trouve un débit d'eau condensée de 2.5 kg/h

[greg_oire]

Oui effectivement pour le dessalement ils descendent très bas en pression et il n'aspirent quasiment pas d'air. Ça permet de faire baisser la température d’ébullition de l'eau. Peux-tu me donner quelques détails sur tes calculs, j'aimerais essayer d'ajuster les paramètres (réglage de la différence de pression, débits de la pompe et volume de la cuve) pour voir si il n'y a pas une situation où le rendement serait meilleur?
Merci déjà pour ce résultat.

[greg_oire]

Au fait j'oubliais de te demander : dans le calcul que tu as fais, le débit d'eau condensé est contant ou il diminue avec le temps?

[invite2313209787891133]

J'ai pris une situation de départ en injectant de l'air sec à 100°C sur de l'eau à la limite de l'ébullition (99.6°C à 1b), puis en faisant quelques itérations pour voir l'équilibre vers lequel je vais tendre.

Au final j'arrive à une température de linge et de mélange de 93°C, je monte à 113.5°C après recompression, je redescend à 109.5°C après détente.

Voici une étude de sensibilité en faisant varier la pression de la pompe (en b absolus et résultat en kg/h d'eau condensée):

2                 2.93781          
3.3               5.34035          
4.6               7.09548          
5.9               8.50843          
7.2               9.70768          
8.5               10.7574          
9.8               11.6974          
11.1              12.5519          
12.4              13.3383          
13.7              14.069           
15                14.7526

[greg_oire]

On voit donc que le débit de condensat augmente quasi linéairement avec la pression. Il n'y a donc a priori pas d'amélioration du rendement.
Tu pars de l’hypothèse d'une pression de 1b dans la cuve, ça implique une température d’ébullition élevée.(Ce n'est pas très bon pour le linge)
Pour coller plus au procédé de dessalement, est-ce que tu pourrais faire le calcul avec les conditions suivantes:
pression dans la cuve : 0.2b puis 0.1b puis 0.05b
température de l'air sec injecté au départ : 65° puis 50° puis 35°
pression à la sortie du compresseur 1b dans les 3 cas.
Éventuellement, si ça ne complique pas trop tu pourrais intégrer une source de chaleur de 2kW sur la canalisation d'air sec qui retourne dans la cuve.
Si j'abuse, tu me le dis .