6.2 Air et vapeur d'eau - psychrom�trie

Table des mati�res - Pr�c�dente - Suivante

L'air de l'atmosph�re se compose d'air sec et de vapeur d'eau. A titre d'exemple, � Ibadan (Nig�ria) � midi, un jour de la mi-octobre, I m3 d'atmosph�re contenait 1 131,2 g d'air sec et 20,36 g de vapeur d'eau. L'air sec et

Figure 6.1 Combinaisons teneur en eautemp�rature propres d assurer un entreposage s�r des c�r�ales en vrac

Source. K.A. McLean. Drying and storing combinable crops. Farming Press Ltd, 1980.

Figure 6.2 Combinaisons teneur en eautemp�rature garantissant la s�curit� des c�r�ales entrepos�es contre les quatre principaux agents d'infestalion.

Note: la zone de risque d'infestation par les acariens est signal�e � part, car le probl�me ne se pose pas toujours.

TABLEAU 1. Air et vapeur d'eau pr�sents dans 1 m' d'espace

1 Voir figure 6.4. la vapeur d'eau �taient uniform�ment r�partis dans tout l'espace du m�tre cube. La temp�rature �tait de 30�C et l'humidit� relative de 66 pour cent (tableau 1).

La quantit� de vapeur d'eau pr�sente est g�n�ralement exprim�e par la proportion de vapeur d'eau et d'air sec contenus dans un m�me volume. C'est ce qu'on appelle l'humidit� sp�cifique. Dans le cas susmentionn�, l'humidit� sp�cifique �tait la suivante:

Humidit� sp�cifiquee = (20,36 g d'eau)/(1131,2 g d'air sec) = 0,018 kg d'eau/kg d'air.

Il n'est pas tomb� de pr�cipitations ce jour-l� et � 3 heures de l'apr�s-midi la temp�rature de l'air �tait mont�e � 35�C. L'humidit� sp�cifique �tait encore de 0,018 parce que la quantit� de vapeur d'eau n'avait pas chang�, mais l'humidit� relative �tait tomb�e � 49 pour cent. (On ne tient pas compte de la l�g�re variation de densit� du m�lange air/vapeur d'eau r�sultant de ces fluctuations.) Etait-il possible que l'air f�t alors plus sec?

En effet, l'humidit� relative est le pourcentage de saturation de l'espace par la vapeur d'eau; et puisque l'air chaud peut coexister dans le m�me espace avec bien plus de vapeur d'eau que l'air froid, l'humidit� relative (ou pourcentage de saturation) est tomb�e, bien qu'aucune vapeur d'eau n'ait �t� enlev�e de l'espace, ou ajout�e; seule la temp�rature est mont�e. L'espace peut contenir beaucoup plus de vapeur d'eau � 35�C (tableau 2).

A 10 heures du soir, la temp�rature de l'air �tait tomb�e � 24�C et l'humidit� relative �tait mont�e � 95 pour cent; cependant, l'humidit� sp�cifique �tait toujours de 0,018 kg d'eau/kg d'air sec.

TABLEAU 2. Capacit� de charge do vapeur d'eau de l'espace atrnosph�rique � dir�erentes temp�rature et � une pression normal

Les relations qui existent entre la temp�rature et l'humidit� sont complexes, mais on peut les exprimer par des �quations math�matiques - ce qui permet de calculer les effets de toute modification de l'un quelconque des facteurs - ou par une courbe psychrom�trique. Cette courbe est un graphique dont les coordonn�es sont la temp�rature (en abscisse) et l'humidit� sp�cifique (en ordonn�e). Les valeurs de l'humidit� relative sont repr�sent�es par toute une s�rie de courbes. Une forme simplifi�e de ce graphique est donn�e � la figure 6.4, les trois points relev�s correspondant aux conditions enregistr�es � midi, � 3 heures de l'apr�s-midi et � 10 heures du soir, comme indiqu� plus haut. Avec ce graphique, on peut se reporter � la section 6.2 et v�rifier les valeurs de l'humidit� relative, de l'humidit� sp�cifique et de la temp�rature correspondant � chaque point.

Figure 6.3 Air et vapeur d'eau pr�sents dans I m3 (voir condition I dans tableau 1).

Figure 6.4 Courbes psychrom�triques. (Source: Chartered Institute of Building Services, Londres.)

La quatri�me graduation figurant sur le graphique repr�sente la temp�rature au thermom�tre mouill� et sert � d�terminer le point de d�part des mesures sur le graphique, car il est plus facile de mesurer la temp�rature que les autres facteurs en jeu.

Si l'espace n'est pas satur�, il peut bien s�r accepter plus de vapeur d'eau. Si l'on mouille un tissu de coton propre avec de l'eau distill�e et que l'on force l'air � le traverser, de l'eau s'�vaporera du tissu. Cette �vaporation exige de l'�nergie, qui est absorb�e du tissu mouill�, ce qui fait baisser sa temp�rature. L'�quilibre est atteint quand la temp�rature du tissu se stabilise. C'est ce que l'on appelle la temp�rature mouill�e - ainsi nomm�e car on la mesure en recouvrant la boule du thermom�tre d'un morceau de tissu mouill�. On rel�ve les temp�ratures sur des thermom�tres mouill� et sec plac�s c�te � c�te dans un hydrom�tre � fronde. Connaissant les deux temp�ratures (mouill�e et s�che), on peut tirer du graphique en question toutes les autres caract�ristiques des relations entre l'air et l'eau.

TABLEAU 3. Polds d'eau perdu par la grain humide apr�s s�chage (g/kg)

La d�pression de la boule mouill�e est l'�cart qui existe entre la temp�rature mouill�e et la temp�rature s�che; en se servant de tables, on peut en d�duire l'humidit� relative.

En r�sum�, les points importants sont les suivants:

• l'air ambiant se compose d'air sec et de vapeur d'eau;
• le rapport entre la vapeur d'eau et l'air sec est tr�s petit;
• si la teneur en eau r�elle de l'espace occup� par l'air ne change pas, l'humidit� relative diminue � mesure que la temp�rature s'�l�ve; elle augmente quand la temp�rature descend;
• ces relations peuvent �tre repr�sent�es par un graphique appel� courbe psychrom�trique.

6.3 Teneur en eau et humidit� relative

La teneur en eau de graines de c�r�ales expos�es aux variations de l'air ambiant change constamment en fonction de l'humidit� relative de l'air. Plus cette humidit� est grande, plus la teneur en eau des graines est forte. Ces changements se font relativement lentement, mais au bout d'un certain temps l'humidit� relative se stabilise et une teneur en eau proche de l'equilibre est atteinte.

Figure 6.5 Mouvement de l'eau.

Cet �tat d'�quilibre (entre la teneur en eau des graines et l'humidit� relative de l'atmosph�re qui entoure les graines) est une caract�ristique extr�mement utile, car on peut s'y r�f�rer pour ajuster la teneur en eau des c�r�ales pendant le s�chage et l'entreposage.

Le tableau 4 donne quelques exemples des �quilibres hygroscopiques d'une large gamme de c�r�ales. On a d�termin� ces valeurs d'�quilibre en exposant les graines � des atmosph�res ayant diff�rentes humidit�s relatives et en mesurant la teneur en eau des graines apr�s plusieurs semaines d'exposition. Evidemment, beaucoup d'autres facteurs interviennent dans la d�termination de la valeur d'�quilibre d'une c�r�ale, mais ces chiffres pr�sent�s sous forme de tableau constituent de tr�s utiles indications.

TABLEAU 4. Equlilbre hygroscopique de diverses semences

Source: K.A. McLean. ASAE Year Book.

6.4 S�chage

Le s�chage consiste � faire passer de l'eau de l'int�rieur du grain � la surface, � transformer cette eau en vapeur d'eau, puis � �vacuer cette vapeur d'eau dans l'atmosph�re.

Pour effectuer cette op�ration, il faut r�unir trois �l�ments:

• une r�serve d'eau dans le grain;
• une source d'�nergie pouvant transformer l'eau liquide en vapeur d'eau;
• un bac ou r�ceptacle qui recevra la vapeur d'eau et l'�vacuera de la masse des grains.

6.4.1 R�serve d'eau. Il s'agit de l'eau contenue en exc�dent dans le grain et dont la pr�sence, si on la tol�re, entra�nera la d�t�rioration du produit. Le tableau 3 indique la quantit� d'eau exc�dentaire qu'il faut �liminer pour passer d'une teneur en humidit� � une autre. Ce pr�l�vement ne constitue pas une perte de produit alimentaire.

Figure 6.6 Fluctuations quotidiennes de la temp�rature et de l'humidit� relative (Ibadan Nig�ria).

6.4.2 Source d'�nergie. L'�nergie sert � faire �vaporer l'eau, c'est-�-dire � la faire passer de l'�tat liquide � l'�tat de vapeur. Il faut deux fois plus d'�nergie pour �vaporer l'eau de c�r�ales qu'il n'en faut pour �vaporer l'eau bouillant dans une casserole. L'eau peut s'�vaporer � n'importe quelle temp�rature audessous du point d'�bullition, et pourtant il faut encore � peu pr�s autant d'�nergie pour convertir l'eau liquide en vapeur que pour la porter � �bullition. Les principales sources d'�nergie sont l'�nergie solaire, obtenue soit par la m�thode directe du s�chage au soleil, soit par la m�thode indirecte du s�chage en crib, et l'�nergie d�gag�e par la combustion de mat�riaux tels que le bois, le charbon, le gaz ou le fuel. Dans tous les cas, sauf celui du s�chage au soleil, l'�nergie d�gag�e passe dans l'air (dont la temp�rature augmente), puis dans le grain o� elle �vapore l'eau et se refroidit elle-m�me.

Durant le jour, la temp�rature de l'air ambiant s'�l�ve sous l'effet de la chaleur du soleil. L'air emmagasine l'�nergie du soleil qui peut alors �tre utilis�e pour s�cher les c�r�ales au milieu de la journ�e. On a vu dans la section 6.2 l'effet de l'augmentation de la temp�rature de l'air sur l'humidit� relative. Ainsi, aux heures de midi, la temp�rature de l'air monte, mais l'humidit� relative diminue aussi. L'air, gr�ce � sa temp�rature plus �lev�e, et par cons�quent son surcro�t d'�nergie disponible pour produire l'�vaporation, a donc une capacit� de s�chage plus importante. En outre, son humidit� relative �tant moins forte, il peut absorber plus de vapeur d'eau. L'effet combin� de l'�l�vation de temp�rature et de la baisse d'humidit� appara�t � la figure 6.6, o� l'on peut voir �galement les relations qui existent entre ces deux ph�nom�nes.

6.4.3 Bac � vapeur. L'eau �vapor�e doit �tre �loign�e du grain. Si on l'y laisse, l'humidit� relative augmentera, comme on l'a d�j� not�, et l'�vaporation cessera m�me si le grain est humide et si l'�nergie est disponible. Dans la pratique, on remplace l'air entourant le grain par un flux artificiel d'air frais (comme dans les cribs) insuffl� soit au moyen d'un ventilateur (comme dans les s�choirs par lots discontinus ou les s�choirs � �coulement continu), soit en utilisant un ph�nom�ne de convention (comme dans les s�choirs du type Brook).

La diffusion de l'air sans ventilation est tr�s lente � se faire. C'est une des raisons pour lesquelles on recommande d'utiliser un crib tr�s �troit dans les r�gions o� le s�chage pose des difficult�s.

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