La condensation et la formation de givre dans les échangeurs de chaleur rotatifs

Les échangeurs de chaleur des centrales de traitement d'air sont parfois amenés à fonctionner par des températures extérieures extrêmement basses. Durant leur fonctionnement, les surfaces de l'échangeur sont refroidies par l'air extérieur et réchauffées par l'air extrait. Ainsi, quel que soit le type d'échangeur, on obtient un côté froid et un côté chaud. Cependant, la répartition de la température à l'intérieur d'un échangeur de chaleur rotatif est complexe, rendant difficile de prédire les phases de condensation et de formation du givre. Heureusement, William Lawrance, Senior Product Manager, nous fournit une explication approfondie de ce phénomène dans cet article de blog.

Lorsque la température de l'air extérieur est suffisamment froide, l'air extrait est refroidi en dessous du point de rosée, et l'humidité se dépose sur les surfaces de l'échangeur de chaleur. Lorsque cela se produit à une température inférieure à zéro, on peut s'attendre à ce que l'humidité se dépose sous forme de givre ou sous forme d'une fine couche de glace. Le givre ou la glace dans la roue pose un véritable problème, car il restreint le flux d'air et augmente considérablement la perte de charge à travers l'échangeur de chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la consommation d'énergie des ventilateurs. De plus, comme une partie de l'échangeur de chaleur est bloquée, le transfert de chaleur est réduit, ce qui altère la performance de la récupération de chaleur.

Avec les échangeurs de chaleur fixes tels que les échangeurs à plaques, le givre se forme dès que la température de l'air extérieur entrant tombe en dessous de 0°C. En revanche, dans les échangeurs de chaleur à roue, la formation de givre débute à des températures beaucoup plus basses. Cela est dû à la rotation de la matrice de la roue, qui permet aux condensats ou au givre formés du côté extrait de s'évaporer du côté d'alimentation. Par exemple, avec un air extrait à 21°C et une humidité relative inférieure à 30%, le givre peut commencer à se former lorsque la température extérieure descend en dessous de -12°C. Toutefois, une accumulation continue de condensat ou de givre sur la matrice ne se produit que lorsqu'il y a un excès d'humidité, c'est-à-dire lorsque l'eau se condense ou gèle du côté air extrait à un rythme supérieur à ce qui peut être absorbé du côté d'alimentation.

Revêtement hygroscopique ou roues à sorption

Dans la plupart des bâtiments, l'humidité intérieure diminue par temps froid, et des niveaux d'humidité intérieure aussi bas que 10% ne sont pas rares, sauf si une humidification est effectuée. Avec un  taux d'humidité aussi faible dans l'air extrait, on ne s'attend normalement pas à voir un excès d'eau ou du givre sur une roue en aluminium traditionnel non traité. Cependant, de tels niveaux d'humidité sont inconfortables et malsains. Les roues avec un revêtement hygroscopique, généralement appelés roues à sorption, sont avantageux dans ces climats car ce revêtement absorbe l'humidité de l'air extrait et la transfère à l'air d'alimentation, tant que l'air extrait contient moins d'humidité que l'air extérieur. Le transfert d'humidité se produit avant qu'elle ne puisse se condenser sous forme d'eau ou de givre. En d'autres termes, la température du point de rosée diminue continuellement à mesure que la température du côté air extrait baisse. Cela offre l'avantage majeur mentionné ci-dessus : le givre se produira à des températures extérieures beaucoup plus basses.

Si l'on compare cela à une roue en aluminium simple, le transfert d'humidité ne peut se produire que lorsque l'air extrait est refroidi en-dessous du point de rosée, de sorte que l'humidité se condense ou gèle sur la surface du rotor.

Voyons ce que nous dit le diagramme de Mollier

Voici une roue non hygroscopique, où l'air extrait est refroidi à une teneur en humidité constante jusqu'à une température d'environ 4°C au dessus du point de rosée. Une ligne est tracée entre ce point et la condition de l'air extérieur. Si cette ligne coupe la ligne de saturation, alors il y aura condensation, comme on peut le voir sur la figure 1. Cette méthode a montré une bonne corrélation avec les tests effectués dans notre laboratoire. Dans ce diagramme, la condition moyenne de l'air extrait est montrée pour une efficacité thermique de 80%. Étant donné qu'il y a condensation à une température bien inférieure à 0°C, la formation de givre dans la roue est à prévoir.

Pour la roue à sorption avec une efficacité d'humidité similaire à l'efficacité thermique, un excès d'eau se formera dans la roue lorsqu'une ligne tracée entre la condition d'entrée de l'air extrait et de l'air d'alimentation coupe la ligne de saturation.

Cette technique du diagramme de Mollier peut être utilisée pour créer un diagramme avec la température extérieure limite pour toute humidité de l'air extrait, en maintenant les autres paramètres fixes. Les tests réalisés dans notre chambre climatique ont montré que cette approche correspond bien à la réalité.

En utilisant la méthode ci-dessus, il est possible de créer un diagramme montrant les limites d'excès d'eau et de givre. La température de l'air extrait varie généralement peu, elle est donc fixée à 21°C. L'efficacité thermique de la roue est de 80% et l'efficacité hygroscopique, ou de sorption, de la roue est proche de 80%. L'humidité relative de l'air extérieur est de 80%.

Le diagramme montre qu'un excès d'eau peut se produire dans les roues non hygroscopiques dès 0°C et en dessous, mais cela ne se produit dans une roue à sorption que si l'humidité dans la pièce est très élevée. Le gel commencera à environ -8°C si l'excès d'eau est présent. Le diagramme montre également que la roue à sorption peut fonctionner à des températures extérieures beaucoup plus basses et à une humidité intérieure plus élevée sans problème d'excès d'eau, par rapport à une roue en aluminium simple.

Les facteurs les plus significatifs qui affectent la condensation et le gel sont l'humidité de l'air extrait et la température de l'air extérieur, mais la température de l'air extrait et l'efficacité de la roue jouent également un rôle crucial, ce qui explique pourquoi il est complexe de déterminer le risque de gel.

Dégivrage

Dans la majorité des bâtiments, l'excès d'eau dans les échangeurs de chaleur rotatifs ne pose généralement pas de problème, car la petite quantité d'eau créée est généralement évaporée lorsque les conditions reviennent au-dessus de la limite. De plus, la glace et le givre prennent plusieurs heures pour s'accumuler dans les échangeurs de chaleur rotatifs. Cependant, un problème survient lors de périodes prolongées de temps froid, et il existe alors deux solutions pour y faire face. L'une consiste à chauffer l'air extérieur, l'autre à contrôler l'efficacité de la roue de manière à ce qu'aucun givre ne se forme. En optant pour cette dernière solution, il est possible de mesurer la perte de charge et de dégivrer la roue lorsque la perte devient trop élevée, ce qui se fait en réduisant la vitesse de rotation afin que l'efficacité soit réduite. La température de l'air extrait est alors augmentée et la température moyenne dépasse le point de congélation.

Dans l'un ou l'autre des deux cas, de la chaleur doit être ajoutée, mais le coût de fonctionnement est considéré comme à peu près le même. Il est important de noter que, dans la méthode de préchauffage, il est essentiel de veiller à ce que l'air extérieur ne soit pas chauffé de manière excessive, ce qui entraînerait une dépense énergétique inutile. En outre, il est crucial de réguler avec précision la température de l'air après la batterie pour maintenir la condition juste à la limite de condensation.

La relation entre l'efficacité thermique et la vitesse de rotation de la roue suit généralement le modèle illustré dans le diagramme ci-dessous. Il est indiqué que les fonctions de contrôle de dégivrage tendent à diminuer la vitesse de la roue lorsqu'un givre est détecté. Une fois que le système de contrôle constate la disparition du givre, la vitesse de la roue est augmentée de nouveau. L'efficacité thermique diminue de manière significative à basse vitesse, mais il est crucial que la roue ne s'arrête pas complètement, sinon seule une partie de la roue serait dégivrée.

Conception des centrales de traitement d’air

Comme indiqué précédemment, la formation d'humidité et de givre est influencée par divers facteurs, rendant difficile la détermination précise des seuils pour des conditions spécifiques. Heureusement, notre programme de sélection pour les unités GOLD, AHU Design, est équipé d'un puissant algorithme basé sur nos recherches et tests. Il calcule automatiquement les seuils et donne des alertes lorsqu'il y a un risque d'excès d'humidité et de givre. Il conseille également quand une batterie de chauffage est nécessaire et donne la puissance optimale pour cet accessoire.

Une batterie chauffage peut donner un très bon résultat, surtout dans des conditions extrêmes avec une température extérieure basse combinée à un air extrait humide.