6.2 Air et vapeur d'eau - psychrométrie

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L'air de l'atmosphère se compose d'air sec et de vapeur d'eau. A titre d'exemple, à Ibadan (Nigéria) à midi, un jour de la mi-octobre, I m3 d'atmosphère 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 eautempérature propres d assurer un entreposage sûr des céréales en vrac

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

Figure 6.2 Combinaisons teneur en eautempérature garantissant la sécurité des céréales entreposées contre les quatre principaux agents d'infestalion.

Note: la zone de risque d'infestation par les acariens est signalée à part, car le problème ne se pose pas toujours.

TABLEAU 1. Air et vapeur d'eau présents dans 1 m' d'espace

1 Voir figure 6.4. la vapeur d'eau étaient uniformément répartis dans tout l'espace du mètre cube. La température était de 30°C et l'humidité relative de 66 pour cent (tableau 1).

La quantité de vapeur d'eau présente est généralement exprimée par la proportion de vapeur d'eau et d'air sec contenus dans un même volume. C'est ce qu'on appelle l'humidité spécifique. Dans le cas susmentionné, l'humidité spécifique était la suivante:

Humidité spécifiquee = (20,36 g d'eau)/(1131,2 g d'air sec) = 0,018 kg d'eau/kg d'air.

Il n'est pas tombé de précipitations ce jour-là et à 3 heures de l'après-midi la température de l'air était montée à 35°C. L'humidité spécifique était encore de 0,018 parce que la quantité de vapeur d'eau n'avait pas changé, mais l'humidité relative était tombée à 49 pour cent. (On ne tient pas compte de la légère variation de densité du mélange air/vapeur d'eau résultant de ces fluctuations.) Etait-il possible que l'air fût alors plus sec?

En effet, l'humidité relative est le pourcentage de saturation de l'espace par la vapeur d'eau; et puisque l'air chaud peut coexister dans le même espace avec bien plus de vapeur d'eau que l'air froid, l'humidité relative (ou pourcentage de saturation) est tombée, bien qu'aucune vapeur d'eau n'ait été enlevée de l'espace, ou ajoutée; seule la température est montée. L'espace peut contenir beaucoup plus de vapeur d'eau à 35°C (tableau 2).

A 10 heures du soir, la température de l'air était tombée à 24°C et l'humidité relative était montée à 95 pour cent; cependant, l'humidité spécifique était toujours de 0,018 kg d'eau/kg d'air sec.

TABLEAU 2. Capacité de charge do vapeur d'eau de l'espace atrnosphérique à diréerentes température et à une pression normal

Les relations qui existent entre la température et l'humidité sont complexes, mais on peut les exprimer par des équations mathématiques - ce qui permet de calculer les effets de toute modification de l'un quelconque des facteurs - ou par une courbe psychrométrique. Cette courbe est un graphique dont les coordonnées sont la température (en abscisse) et l'humidité spécifique (en ordonnée). Les valeurs de l'humidité relative sont représentées par toute une série de courbes. Une forme simplifiée de ce graphique est donnée à la figure 6.4, les trois points relevés correspondant aux conditions enregistrées à midi, à 3 heures de l'après-midi et à 10 heures du soir, comme indiqué plus haut. Avec ce graphique, on peut se reporter à la section 6.2 et vérifier les valeurs de l'humidité relative, de l'humidité spécifique et de la température correspondant à chaque point.

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

Figure 6.4 Courbes psychrométriques. (Source: Chartered Institute of Building Services, Londres.)

La quatrième graduation figurant sur le graphique représente la température au thermomètre mouillé et sert à déterminer le point de départ des mesures sur le graphique, car il est plus facile de mesurer la température que les autres facteurs en jeu.

Si l'espace n'est pas saturé, il peut bien sûr accepter plus de vapeur d'eau. Si l'on mouille un tissu de coton propre avec de l'eau distillée et que l'on force l'air à le traverser, de l'eau s'évaporera du tissu. Cette évaporation exige de l'énergie, qui est absorbée du tissu mouillé, ce qui fait baisser sa température. L'équilibre est atteint quand la température du tissu se stabilise. C'est ce que l'on appelle la température mouillée - ainsi nommée car on la mesure en recouvrant la boule du thermomètre d'un morceau de tissu mouillé. On relève les températures sur des thermomètres mouillé et sec placés côte à côte dans un hydromètre à fronde. Connaissant les deux températures (mouillée et sèche), on peut tirer du graphique en question toutes les autres caractéristiques des relations entre l'air et l'eau.

TABLEAU 3. Polds d'eau perdu par la grain humide après séchage (g/kg)

La dépression de la boule mouillée est l'écart qui existe entre la température mouillée et la température sèche; en se servant de tables, on peut en déduire l'humidité relative.

En résumé, 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 très petit;
• si la teneur en eau réelle de l'espace occupé par l'air ne change pas, l'humidité relative diminue à mesure que la température s'élève; elle augmente quand la température descend;
• ces relations peuvent être représentées par un graphique appelé courbe psychrométrique.

6.3 Teneur en eau et humidité relative

La teneur en eau de graines de céréales exposées aux variations de l'air ambiant change constamment en fonction de l'humidité relative de l'air. Plus cette humidité 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'humidité relative se stabilise et une teneur en eau proche de l'equilibre est atteinte.

Figure 6.5 Mouvement de l'eau.

Cet état d'équilibre (entre la teneur en eau des graines et l'humidité relative de l'atmosphère qui entoure les graines) est une caractéristique extrêmement utile, car on peut s'y référer pour ajuster la teneur en eau des céréales pendant le séchage et l'entreposage.

Le tableau 4 donne quelques exemples des équilibres hygroscopiques d'une large gamme de céréales. On a déterminé ces valeurs d'équilibre en exposant les graines à des atmosphères ayant différentes humidités relatives et en mesurant la teneur en eau des graines après plusieurs semaines d'exposition. Evidemment, beaucoup d'autres facteurs interviennent dans la détermination de la valeur d'équilibre d'une céréale, mais ces chiffres présentés sous forme de tableau constituent de très utiles indications.

TABLEAU 4. Equlilbre hygroscopique de diverses semences

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

6.4 Séchage

Le séchage consiste à faire passer de l'eau de l'intérieur du grain à la surface, à transformer cette eau en vapeur d'eau, puis à évacuer cette vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Pour effectuer cette opération, il faut réunir trois éléments:

• une réserve d'eau dans le grain;
• une source d'énergie pouvant transformer l'eau liquide en vapeur d'eau;
• un bac ou réceptacle qui recevra la vapeur d'eau et l'évacuera de la masse des grains.

6.4.1 Réserve d'eau. Il s'agit de l'eau contenue en excèdent dans le grain et dont la présence, si on la tolère, entraînera la détérioration du produit. Le tableau 3 indique la quantité d'eau excédentaire qu'il faut éliminer pour passer d'une teneur en humidité à une autre. Ce prélèvement ne constitue pas une perte de produit alimentaire.

Figure 6.6 Fluctuations quotidiennes de la température et de l'humidité relative (Ibadan Nigéria).

6.4.2 Source d'énergie. L'énergie sert à faire évaporer l'eau, c'est-à-dire à la faire passer de l'état liquide à l'état de vapeur. Il faut deux fois plus d'énergie pour évaporer l'eau de céréales qu'il n'en faut pour évaporer l'eau bouillant dans une casserole. L'eau peut s'évaporer à n'importe quelle température audessous du point d'ébullition, et pourtant il faut encore à peu près autant d'énergie pour convertir l'eau liquide en vapeur que pour la porter à ébullition. Les principales sources d'énergie sont l'énergie solaire, obtenue soit par la méthode directe du séchage au soleil, soit par la méthode indirecte du séchage en crib, et l'énergie dégagée par la combustion de matériaux tels que le bois, le charbon, le gaz ou le fuel. Dans tous les cas, sauf celui du séchage au soleil, l'énergie dégagée passe dans l'air (dont la température augmente), puis dans le grain où elle évapore l'eau et se refroidit elle-même.

Durant le jour, la température de l'air ambiant s'élève sous l'effet de la chaleur du soleil. L'air emmagasine l'énergie du soleil qui peut alors être utilisée pour sécher les céréales au milieu de la journée. On a vu dans la section 6.2 l'effet de l'augmentation de la température de l'air sur l'humidité relative. Ainsi, aux heures de midi, la température de l'air monte, mais l'humidité relative diminue aussi. L'air, grâce à sa température plus élevée, et par conséquent son surcroît d'énergie disponible pour produire l'évaporation, a donc une capacité de séchage plus importante. En outre, son humidité relative étant moins forte, il peut absorber plus de vapeur d'eau. L'effet combiné de l'élévation de température et de la baisse d'humidité apparaît à la figure 6.6, où l'on peut voir également les relations qui existent entre ces deux phénomènes.

6.4.3 Bac à vapeur. L'eau évaporée doit être éloignée du grain. Si on l'y laisse, l'humidité relative augmentera, comme on l'a déjà noté, et l'évaporation cessera même si le grain est humide et si l'énergie est disponible. Dans la pratique, on remplace l'air entourant le grain par un flux artificiel d'air frais (comme dans les cribs) insufflé soit au moyen d'un ventilateur (comme dans les séchoirs par lots discontinus ou les séchoirs à écoulement continu), soit en utilisant un phénomène de convention (comme dans les séchoirs du type Brook).

La diffusion de l'air sans ventilation est très lente à se faire. C'est une des raisons pour lesquelles on recommande d'utiliser un crib très étroit dans les régions où le séchage pose des difficultés.

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