Le principe d’ingénierie est la mesure psychrométrique par refroidissement évaporatif. Un capteur de température sèche mesure la température réelle de l’air, tandis qu’un capteur de température humide mesure la température d’équilibre plus basse produite lorsque l’eau s’évapore d’une mèche saturée. L’écart de température humide, c’est-à-dire la différence entre les températures sèche et humide, indique la teneur en humidité de l’air et est utilisé pour contrôler l’humidité dans les enceintes de traitement thermique.

Plus la différence entre les températures sèche et humide est importante, plus l’air est sec et plus sa capacité à évaporer l’humidité est élevée. Le suivi des deux températures permet à un système de contrôle de réguler l’humidité, l’élimination de l’humidité, le chauffage du produit, le rétrécissement et le rendement.

Fonctionnement de la mesure des températures humide et sèche

La température sèche mesure la chaleur sensible

Le capteur de température sèche est exposé directement à l’air de procédé et mesure son énergie thermique sensible. Il s’agit de la température ordinaire de l’air utilisée pour établir et maintenir le profil de chauffage de l’enceinte.

Dans un fumoir ou un four industriel, la température sèche aide à déterminer si l’air environnant a atteint les conditions de procédé requises. À elle seule, elle n’indique pas la quantité d’humidité contenue dans l’air.

La température humide mesure le refroidissement par évaporation

Le capteur de température humide est enveloppé dans une mèche saturée d’eau. Lorsque l’eau s’évapore de la mèche, elle absorbe la chaleur latente du capteur et de l’air environnant, ce qui abaisse la température du capteur.

Lorsque la chaleur transférée de l’air vers la surface humidifiée est égale à la chaleur latente consommée par l’évaporation, le capteur atteint une température d’équilibre humide stable.

La différence de température révèle la capacité d’absorption d’humidité

La différence entre la température sèche, (T_{\mathrm{DB}}), et la température humide, (T_{\mathrm{WB}}), est appelée écart de température humide :

[ \Delta T_{\mathrm{WB}} = T_{\mathrm{DB}} - T_{\mathrm{WB}} ]

Un air non saturé produit une évaporation plus intense, ce qui entraîne une différence de température plus importante. Un air déjà proche de la saturation produit peu d’évaporation, de sorte que la température humide se rapproche de la température sèche.

À saturation complète, les deux valeurs mesurées sont approximativement égales.

Fondements du transfert de chaleur et de masse

La chaleur sensible devient de la chaleur latente

Le principe de fonctionnement repose sur un bilan couplé de transfert de chaleur et de masse. La chaleur sensible se déplace de l’air plus chaud vers la mèche humidifiée, tandis que les molécules d’eau quittent la mèche sous forme de vapeur et emportent de la chaleur latente.

Ce bilan peut être représenté conceptuellement comme suit :

[ q_{\text{sensible}} = q_{\text{latent}} ]

Avec les coefficients de transfert, le bilan s’exprime généralement comme suit :

[ h(T_{\mathrm{DB}}-T_{\mathrm{WB}}) \approx N_1\Delta \tilde{H}_{\mathrm{vap}} ]

Ici, (h) représente le transfert de chaleur par convection, (N_1) représente le taux d’évaporation et (\Delta \tilde{H}_{\mathrm{vap}}) représente la chaleur latente de vaporisation.

La relation de Lewis relie les transferts de chaleur et d’humidité

Pour les systèmes air-eau, le nombre de Lewis est souvent proche de l’unité. Cela permet de relier le comportement des transferts de chaleur et de masse au moyen de l’analogie de Chilton-Colburn.

Dans des conditions appropriées, la relation entre la concentration de vapeur ou l’humidité et l’écart de température peut être approximée comme suit :

[ y_1

y_{1i}

\left( \frac{\tilde{C}p}{\Delta \tilde{H}{\mathrm{vap}}} \right) (T_{\mathrm{WB}}-T_{\mathrm{DB}}) ]

C’est la base de l’utilisation des deux relevés de température pour déterminer l’humidité à partir d’un diagramme psychrométrique, d’un tableau ou d’un algorithme de contrôle.

La mesure est psychrométrique, et pas simplement thermométrique

Les capteurs ne mesurent pas directement l’humidité relative. Ils mesurent deux températures, et l’humidité est déduite de leur relation thermodynamique.

L’humidité calculée dépend également de conditions telles que la pression barométrique, la vitesse de l’air, l’état de la mèche et l’emplacement du capteur. Par conséquent, un contrôle fiable nécessite un étalonnage correct et un débit d’air suffisant au niveau de la mèche humide.

Pourquoi l’humidité est importante dans le traitement thermique

L’humidité contrôle l’évaporation de l’eau

L’humidité relative détermine la force motrice de la pression de vapeur entre la surface du produit et l’air environnant. L’air sec de l’enceinte augmente l’évaporation, tandis que l’air humide de l’enceinte la réduit.

Cela rend la mesure des températures humide et sèche particulièrement utile pendant les étapes de cuisson, de pasteurisation, de fumage et de séchage, lorsque la teneur en humidité du produit change continuellement.

L’humidité influence la perte de rendement

Une évaporation excessive élimine l’eau du produit et provoque un rétrécissement ainsi qu’une perte de rendement. Le maintien de l’humidité prévue réduit les pertes d’humidité inutiles tout en permettant au procédé d’atteindre ses objectifs de chauffage et de développement de la surface.

Le contrôle de l’humidité constitue donc une fonction de contrôle économique aussi bien que thermique.

L’humidité affecte le transfert de chaleur et la texture de surface

L’air humide modifie les conditions de transfert de chaleur convectif et évaporatif à la surface du produit. Il affecte également le séchage de surface, la texture, le développement de la couleur et la formation d’une enveloppe ou d’une couche externe.

Une enceinte peut atteindre sa température sèche cible tout en produisant des résultats indésirables sur le produit si l’humidité n’est pas contrôlée.

L’humidité contribue à atteindre les températures à cœur

La température et l’humidité de l’air de l’enceinte doivent être coordonnées afin d’amener le cœur du produit à la température de pasteurisation requise. Une cible telle que 160 °F peut être utilisée dans un procédé particulier, mais la cible correcte dépend du produit, de la formulation, des spécifications du procédé et des exigences de sécurité alimentaire validées.

La mesure des températures humide et sèche aide les opérateurs à atteindre cette cible thermique sans imposer au produit des conditions de séchage inutiles.

Comment le système de contrôle utilise les deux signaux

Le signal de température sèche contrôle le chauffage

La mesure de la température sèche est généralement utilisée pour réguler les chauffages, la vapeur, l’alimentation en air chaud ou la puissance du brûleur. Elle établit la consigne de température sensible de l’enceinte.

Ce signal répond à la question suivante : Quelle est la température de l’environnement de procédé ?

Le signal de température humide contrôle les conditions d’humidité

La mesure de la température humide, interprétée conjointement avec celle de la température sèche, indique l’état d’humidité de l’enceinte. Le système de contrôle peut réagir en ajoutant de la vapeur, en ajustant la ventilation, en modifiant la circulation de l’air ou en changeant d’étape du procédé.

Ce signal répond à la question suivante : Avec quelle intensité l’environnement de procédé peut-il évaporer l’eau ?

Le couple fournit une mesure de l’état du procédé

Une température unique ne permet pas de distinguer un air chaud et sec d’un air chaud et humide. Les deux relevés fournissent suffisamment d’informations pour estimer l’état de l’air sur une base psychrométrique.

Cette distinction est essentielle, car deux enceintes à la même température sèche peuvent provoquer des pertes d’humidité du produit très différentes.

Comprendre les compromis

Une différence de température plus importante n’est pas toujours préférable

Un écart de température humide important indique une forte capacité d’évaporation, mais cela peut être indésirable lors d’une étape de chauffage sensible à l’humidité. Une évaporation plus rapide peut accroître le rétrécissement, durcir la surface et réduire le rendement final.

La bonne humidité est celle qui répond à l’objectif de procédé validé, et non simplement celle qui maximise l’évaporation.

La mesure de la température humide présente des limites pratiques

Un capteur de température humide nécessite une mèche propre et constamment humidifiée ainsi qu’un débit d’air suffisant. La contamination, une mauvaise humidification, une circulation insuffisante ou un positionnement incorrect peuvent produire une mesure trompeuse.

Les procédés à haute température nécessitent également des matériaux de capteur et des pratiques de gestion de l’eau adaptés à l’environnement de fonctionnement.

La différence de température n’est pas une conversion directe universelle

L’écart de température humide est corrélé à l’humidité relative, mais il ne correspond pas à une conversion en pourcentage fixe dans toutes les conditions. La pression et les hypothèses psychrométriques influencent le résultat, et la relation varie avec la température.

Pour un contrôle précis, utilisez le calcul psychrométrique applicable ou un instrument étalonné, plutôt que de considérer chaque degré de différence comme une augmentation constante de l’humidité.

Les variables du produit et du procédé restent importantes

L’humidité de l’air ne détermine pas à elle seule la perte d’humidité du produit. La composition du produit, sa géométrie, la surface exposée, le débit d’air, la densité de chargement, l’enveloppe et le temps de séjour influencent également les transferts de chaleur et de masse.

Le contrôle des températures humide et sèche fournit les conditions de l’enceinte ; il ne remplace ni la validation du procédé ni la mesure de la température à cœur.

Application du principe à une unité de traitement thermique

Le principe de mesure devient utile lorsqu’il est associé aux objectifs réels du procédé.

• Si votre priorité est le contrôle de l’humidité : Utilisez la différence entre les températures sèche et humide avec une relation psychrométrique corrigée en fonction de la pression pour réguler la vapeur, la ventilation ou le renouvellement d’air.
• Si votre priorité est de minimiser le rétrécissement : Évitez un écart de température humide inutilement important pendant les étapes où la rétention d’humidité et le rendement sont importants.
• Si votre priorité est la pasteurisation : Coordonnez la température et l’humidité de l’enceinte avec les exigences validées concernant la température à cœur, le temps et la sécurité alimentaire.
• Si votre priorité est le développement du procédé : Enregistrez les deux températures avec le poids du produit, la perte d’humidité, l’état de surface et la température à cœur afin d’établir la fenêtre de fonctionnement.
• Si votre priorité est la fiabilité des mesures : Entretenez la mèche, vérifiez le débit d’air au niveau du capteur, contrôlez l’étalonnage et tenez compte de la pression de l’enceinte ainsi que de l’emplacement du capteur.

Comprendre l’écart de température humide comme le résultat du transfert couplé de chaleur sensible et de l’élimination de chaleur latente permet aux ingénieurs de contrôler l’humidité aussi délibérément que la température.

Tableau récapitulatif :

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