Qu'est-ce que le point de rosée sous pression dans l'air comprimé ?
L'eau fait son apparition dans les systèmes d'air comprimé alors qu'elle n'y était pas la bienvenue. Les pistolets pulvérisateurs crachent. Les arcs plasma dévient. Les bouteilles se bloquent lors de la première matinée froide de l'année. Le chiffre indiqué sur chaque fiche technique des sécheurs pour éviter tout cela est le point de rosée sous pression. Beaucoup de ceux qui inscrivent ce chiffre dans leurs devis seraient incapables d'expliquer ce que le terme « pression » vient faire dans cette appellation.
Commençons par le point de rosée simple. L'air contient de la vapeur d'eau, et chaque volume d'air possède une température à laquelle la vapeur qu'il contient ne peut plus rester à l'état gazeux. Lorsque l'air est refroidi jusqu'à cette température, la condensation commence. Cette température correspond au point de rosée. L'air chaud contient plus d'humidité avant d'atteindre la saturation, tandis que l'air froid en contient moins ; voilà tout ce qu'il faut savoir en physique pour la suite de cet article.
La compression modifie la situation d’une manière bien précise. Un compresseur comprime un grand volume d’air ambiant en un volume plus petit, et la vapeur d’eau est comprimée en même temps que le reste. La pression partielle de la vapeur augmente, et une pression partielle plus élevée signifie que la condensation commence à une température plus élevée. C’est pourquoi un compresseur « produit de l’eau » même par temps sec, et pourquoi le refroidisseur final et le réservoir collecteur recueillent des gouttes dès les premières minutes suivant une nouvelle installation.
Le point de rosée sous pression (PDP) correspond à la température à laquelle la condensation commence à se produire dans l’air maintenu à la pression de service. Le mot « pression » est au cœur même de ce terme : il désigne la condition dans laquelle cette valeur est valable. Le point de rosée mentionné dans les prévisions météorologiques repose sur les mêmes principes physiques, mais dans un environnement non pressurisé, à l'air libre. C'est précisément lorsque l'on transpose la signification de ces prévisions dans le contexte d'une salle des compresseurs que les chiffres cessent de correspondre. C'est sur cette divergence que porte la section suivante.
Deux valeurs pour un même air : le point de rosée de pression et le point de rosée atmosphérique
Une source fréquente de confusion réside dans la comparaison entre la valeur nominale d’un sécheur indiquée à la pression de conduite et une mesure effectuée après que l’échantillon s’est dilaté à la pression atmosphérique. À titre d’exemple approximatif, un air dont le point de rosée atmosphérique est de −40 °F correspond à un point de rosée manométrique proche de −3 °F à 100 psig. La valeur exacte dépend de la pression absolue et de la formule de pression de vapeur utilisée ; le NIST considère les mesures de Hyland–Wexler comme référence pour les travaux sur le point de rosée des gaz comprimés (NIST, 2021). Il n'y a aucune incohérence : ces deux températures correspondent à la même concentration d'humidité à des pressions différentes.
Le même avion, deux numéros différents
Pour une quantité d'humidité donnée, le point de rosée varie en fonction de la pression. Si l'on comprime l'air, cette même vapeur d'eau se retrouve alors à une pression partielle plus élevée, et se condense donc à une température plus élevée. Cette température plus élevée correspond au point de rosée sous pression. Si l'on laisse l'air se détendre à nouveau, le point de rosée diminue ; cette température plus basse correspond au point de rosée atmosphérique (ADP). Même air, même teneur en humidité, deux valeurs différentes.
L'écart s'accroît à mesure que la pression augmente. À environ 7 bars (g) (100 psig), l'exemple ci-dessus donne une différence d'environ 20 °C entre le point de rosée atmosphérique et le point de rosée sous pression. Il s'agit d'une conversion thermodynamique, et non d'un décalage fixe : le calcul doit préserver la fraction molaire de la vapeur d'eau tout en faisant varier la pression absolue totale.
à 100 psig
C'est la même émission, les deux chiffres sont corrects.
C'est en les mélangeant dans une spécification que des systèmes parfaitement secs finissent par être qualifiés de défectueux.
Avant de se fier à un chiffre quelconque, il est utile de savoir d'où provient chaque type de chiffre et ce qu'il est censé vous révéler.
D'où vient la valeur du point de rosée ?
| Origine du chiffre | Ce qui est écrit en réalité | L'inscrire dans un cahier des charges ? |
|---|---|---|
| Plaque signalétique ou fiche technique du sèche-linge | PDP à la pression nominale | Oui, avec la pression indiquée |
| Capteur intégré en ligne, en aval du séchoir | PDP à la pression de ligne | Oui |
| Prélèvement à l'aide d'un compteur portable en aval d'un régulateur | ADP de l'échantillon élargi | Uniquement après la conversion |
| Prévisions météo | Point de rosée ambiant de l'air extérieur | Non, c'est une toute autre histoire |
Conversion à votre pression de service
Un calculateur de point de rosée sous pression pour l'air comprimé doit utiliser la pression absolue, et non la pression manométrique. Il convertit d'abord le point de rosée connu en pression de vapeur d'eau, met cette pression partielle à l'échelle en fonction du rapport entre les deux pressions absolues, puis reconvertit la nouvelle pression de vapeur en point de rosée. La norme ISO 8573-3 traite explicitement de la correction de pression et de la conversion des grandeurs d'humidité (ISO 8573-3, 1999). Le résultat d'un calcul n'a de sens que si la pression d'entrée, la pression de sortie, la base de température et la nature de la valeur (point de rosée ou point de givre) sont précisées.
Le cas de l'hiver rend cette distinction utile. À l’intérieur des canalisations sous pression, la condensation suit la PDP ; la spécification doit donc se situer en toute sécurité en dessous de la surface sous pression la plus froide que l’air rencontrera. L’air des installations intérieures est généralement traité par des sécheurs réfrigérés dans une plage de PDP comprise entre 35 et 50 °F (environ 2 à 10 °C), tandis que les canalisations à température inférieure à zéro et les procédés sensibles à l’humidité nécessitent une valeur cible inférieure, choisie parmi la plage de fonctionnement réelle (Ministère américain de l'Énergie, 2016).
Il faut donc considérer la plaque signalétique d'un séchoir comme une valeur nominale, et la lecture d'un manomètre portable en aval d'un régulateur comme une valeur apparemment plus basse qui doit être convertie avant d'avoir une quelconque signification. La question de savoir jusqu'où cette valeur nominale doit descendre est une autre histoire, et la réponse est moins coûteuse que ne le supposent la plupart des processus d'achat.
Jusqu'où faut-il aller ? Classes, applications et le prix à payer quand on va trop loin
La norme ISO 8573-1 classe la pureté de l'air comprimé en fonction des particules, de l'eau et de l'huile, sous la forme de trois chiffres ; le chiffre du milieu correspond à la classe d'eau. Pour l'eau en phase vapeur, les limites couramment spécifiées sont la classe 4 à +3 °C PDP, la classe 3 à −20 °C, la classe 2 à −40 °C et la classe 1 à −70 °C (ISO 8573-1, 2010). Il s'agit là de limites maximales, et non d'exigences d'application universelles. Les sécheurs frigorifiques classiques offrent généralement une pression de point de rosée (PDP) comprise entre environ 35 et 50 °F (2 à 10 °C) et ne peuvent pratiquement pas descendre en dessous du point de congélation, tandis que les sécheurs régénératifs à dessiccant visent généralement une température de −40 °F/°C ou inférieure (CAGI, 2017).
Définissez l'objectif en fonction du processus, et non du catalogue. Deux facteurs sont déterminants : la surface sous pression la plus froide avec laquelle l'air entrera en contact, et le degré de sensibilité de l'utilisation finale à l'humidité. Tout ce qui dépasse ce seuil relève des coûts, et non de la qualité.
Un séchage allant au-delà des exigences du processus entraîne un surcoût réel. Des objectifs plus stricts conduisent souvent à passer d’un système de réfrigération à un système d’adsorption et augmentent les besoins en régénération. Le CAGI indique que les sécheurs régénératifs sans chauffage peuvent consommer jusqu’à environ 18% du débit d’air total sous forme de purge, tandis que les modèles chauffés peuvent réduire les besoins en purge à environ 5–10%, selon la configuration (CAGI, 2017). La valeur cible appropriée est donc la PDP la moins stricte qui permette encore de protéger la surface la plus froide et la sensibilité à l'humidité du processus.
Objectifs PDP raisonnables par application
| Application | Objectif PDP raisonnable | Itinéraire type |
|---|---|---|
| Informations générales sur les plantes d'intérieur et la qualité de l'air | +3 °C (classe 4) | Séchoir réfrigéré |
| Gammes pour l'extérieur ou saisonnières, protection contre le gel | Plage de -20 °C (classe 3) | Sécheur à dessiccation |
| Air industriel et air d'instrumentation standard | −40 °C (classe 2) | Sécheur à déshydratant, lits à base d'alumine |
| Air de process sensible à l'humidité | Spécifique au procédé ; jusqu’à −70 °C (classe 1) une fois validé | Sécheur à dessiccant, souvent associé à un traitement de finition par tamis moléculaire |
La colonne de droite de ce tableau est plus importante qu'il n'y paraît. Deux systèmes peuvent tous deux indiquer « sécheur à dessiccant » sur le devis et offrir des points de rosée totalement différents, car cette valeur dépend du matériau utilisé à l'intérieur de la cuve.
Ce qui fait vraiment la différence avec le PDP : la technologie de séchage et les matériaux utilisés à l'intérieur
Chaque valeur de point de rosée indiquée dans un devis dépend à la fois du matériel et des composants situés à l'intérieur d'une cuve : un circuit de réfrigérant ou un lit de billes adsorbantes. Le matériel fixe la limite maximale. Ce sont les billes qui déterminent les valeurs plus basses, et c'est là que se jouent discrètement la plupart des promesses en matière de point de rosée.
La réfrigération a ses limites
Un sécheur frigorifique refroidit l'air et évacue les condensats. Les modèles classiques offrent généralement une pression de point de rosée (PDP) comprise entre environ 35 et 50 °F (2 à 10 °C) ; faire descendre la température de l'évaporateur en dessous de 32 °F présente un risque de gel, ce qui fait que cette technologie ne permet pas d'atteindre des PDP inférieures au point de congélation (CAGI, 2017). Elle convient parfaitement à de nombreuses applications générales dans le domaine des installations air-végétaux, mais la protection contre le gel et les cibles d’air d’instrumentation plus exigeantes nécessitent généralement l’adsorption ou une autre méthode de séchage adaptée.
L'alumine activée : un incontournable en cas de forte humidité
L’alumine activée est un oxyde d’aluminium poreux largement utilisé lorsque le lit doit éliminer une charge de vapeur d’eau relativement élevée avant que la sortie n’atteigne un état de sécheresse profonde. Elle ne doit toutefois pas être considérée comme tolérant aux « slugs » d’eau liquide : les liquides en vrac et les aérosols d’huile doivent être éliminés en amont, car ils surchargent ou encrassent tout lit déshydratant régénératif. Une qualité industrielle représentative de JALON présente une capacité d'adsorption statique d'eau d'au moins 17 %wt à 60% d'humidité relative et 25 °C, des granulats d'une taille comprise entre environ 1 et 10 mm, et une perte par attrition inférieure ou égale à 0,3 %wt ; les qualités spéciales affichent des valeurs comprises entre 20 et 22 %wt dans les conditions d'essai indiquées (Spécifications de l'alumine activée). Le CAGI souligne que la fréquence de remplacement du dessiccant dépend de l'application et se situe généralement entre trois et cinq ans lorsque le prétraitement et la régénération sont assurés (CAGI, 2017).
JALON fournit des données sur les différentes qualités d'alumine activée et de tamis moléculaires afin de faciliter le choix d'un sécheur d'air comprimé, y compris les conditions d'essai spécifiées pour la capacité, la taille des particules, la résistance à l'écrasement et l'attrition. Indiquez la pression de service, les conditions d'entrée et la PDP cible pour obtenir une recommandation sur la qualité à choisir.
Demander les fiches techniques des gradesTamis moléculaire : les grades « Deep-Dry »
Un tamis moléculaire est une zéolite cristalline dotée d’une structure poreuse uniforme et d’une forte affinité pour l’eau à très faible humidité, ce qui explique son utilisation pour les applications nécessitant un point de rosée très bas. Parmi les grades courants destinés à l’air comprimé, on trouve le 4A pour le séchage en profondeur et le 13X lorsque l’élimination de l’eau et du CO₂ est tout aussi importante. Une spécification représentative du JALON 4A indique une capacité d'absorption d'humidité statique d'au moins 22,5 %wt à 75% d'humidité relative et une résistance à l'écrasement de 40 à 80 N selon la taille des granulés ; une spécification représentative du 13X indique une capacité d'absorption d'eau d'au moins 26,5 %wt et une capacité d'absorption de CO₂ d'au moins 18,5 %wt selon les méthodes indiquées (Caractéristiques techniques du tamis moléculaire 4A; Caractéristiques techniques du tamis moléculaire 13X). Il s'agit de valeurs obtenues lors d'essais sur les produits et non de capacités de fonctionnement garanties pour chaque sécheur. Le CAGI recommande d'utiliser le déshydratant spécifié par le fabricant du sécheur et de protéger le lit contre les traces d'huile à l'aide d'un système de filtration par coalescence en amont (CAGI, 2017).
Pourquoi une température de −40 °C est-elle fournie sous forme de lit stratifié ?
Les lits stratifiés peuvent associer un dessiccant amont de grande capacité à un tamis moléculaire servant de couche de finition, mais cette configuration n’est pas universelle et doit respecter le sens d’écoulement, la méthode de régénération et le schéma de chargement indiqués par le fabricant du sécheur. Le ministère américain de l’Énergie précise que plusieurs dessiccants peuvent être utilisés pour des applications de séchage spécifiques et que le tamis moléculaire est ajouté en tant qu’agent de séchage final lorsque des points de rosée très bas sont requis (Ministère américain de l'Énergie, 2016). Le JALON Conseils d'utilisation pour le séchage à l'air libre fournit le contexte interne correspondant à la sélection des produits.
Un point de rosée sous pression de −40 °C correspond à un promesse médiatique: l'alumine activée assure le traitement jusqu'à la classe de −40 °C, tandis que les cibles situées à des températures encore plus basses relèvent du domaine des tamis moléculaires.
Cette phrase mérite d'être affichée au-dessus du bureau des achats, car elle résume en une seule ligne la manière dont un lit doit être spécifié. La version pratique de ce document, avec les points à vérifier indiqués pour chaque ligne, se présente comme suit.
Matrice de sélection des matériaux pour les lits déshydratants
| Médias | Cours PDP agréable | Pics d'humidité et eau à l'état liquide | Comportement à la saturation | Position typique du lit | Vérifiez bien avant de passer commande |
|---|---|---|---|---|---|
| Alumine activée | Généralement jusqu'à la classe de −40 °C dans un séchoir correctement conçu | Supporte une forte charge de vapeur ; protège contre les retombées de liquide | Baisse progressive de la capacité | Couche en amont, le cas échéant | Adsorption statique ≥ 17 %wt à 60 % d'humidité relative, attrition ≤ 0,3 %wt |
| Tamis moléculaire 4A | Classe −40 °C et inférieure | Résistant à une faible humidité, moins résistant aux limaces | Se sature plus rapidement sous l'effet d'une charge liquide | Couche profonde | Adsorption statique ≥ 22,5 %wt à 75 % d'humidité relative, force d'écrasement de 40 à 80 N |
| Tamis moléculaire 13X | Classe la plus profonde, contrôle également les émissions de CO₂ | Meilleure affinité en cas d'humidité très faible | Sensible à l'encrassement par l'huile | Couche de polissage en profondeur | H₂O ≥ 26,5 %wt, CO₂ ≥ 18,5 %wt |
| Lit stratifié : alumine puis tamis | Classe −40 °C en série | Protection contre les limaces à l'avant, sol sec et profond à l'arrière | Durée de vie du tamis prolongée | Approche ascendante par plan du fournisseur | Fiches techniques de chaque support, ainsi que le schéma de chargement |
Privilégiez les paramètres plutôt que les adjectifs. La liste de contrôle correspondant à la matrice ci-dessus comprend : la capacité statique à une humidité relative donnée, la résistance à l'écrasement calculée en moyenne sur un nombre de billes spécifié, la perte par attrition et la plage de taille des billes. Lors du remplacement du média dans une cuve existante, vérifiez que les paramètres de régénération restent adaptés au nouveau remplissage. Exigez également le schéma de chargement : un lit correctement spécifié mais mal installé finira tout de même par se réhumidifier.
Quand les chiffres mentent : erreurs de mesure et véritables modes de défaillance
Une valeur de point de rosée peut être erronée dans deux cas : soit le lit ne fonctionne pas correctement, soit la mesure est fausse. Effectuez les vérifications dans cet ordre, car la première est gratuite et les autres entraînent des coûts liés aux temps d'arrêt.
Vérifiez les dimensions : Placez le capteur en aval du sécheur et notez la pression, la température, la disposition de l'échantillon, le temps de stabilisation et l'état d'étalonnage. Si l'échantillon est détendu avant la mesure, appliquez et consignez la correction de pression requise par la norme ISO 8573-3 (ISO 8573-3, 1999).
Vérifiez le point de fonctionnement : comparer le débit réel, la pression d'entrée, la température d'entrée et les conditions ambiantes aux conditions nominales du sécheur. La norme ISO 7183 considère le PDP, le débit, la perte de charge, les pertes d'air comprimé et la consommation électrique comme des paramètres de performance mesurés plutôt que comme des données isolées figurant sur la plaque signalétique (Norme internationale ISO 7183, 2007).
Vérifiez le support et le prétraitement : Vérifier le déshydratant spécifié, la disposition de chargement, les paramètres de régénération ainsi que l'état des séparateurs d'eau et des filtres coalescents en amont. La présence d'aérosols d'huile et de traces de liquide peut réduire les performances d'adsorption et la durée de vie du lit (CAGI, 2017).
Vérifiez le dernier tronçon de tuyau : Le condensat entraîné ou réévaporé par des équipements chauds situés en aval peut entraîner la présence d'eau au point d'utilisation, même si le lit du système est en bon état et que les mesures indiquent un fonctionnement normal.
L'ordre a plus d'importance que la liste. Un résultat semblant indiquer une humidité excessive, provenant d'une ligne d'échantillonnage inondée ou d'un capteur trop réglé, a déjà envoyé de nombreux lits en parfait état à la casse. C'est précisément pour cette raison que la mesure est vérifiée avant que le média ne soit déclaré hors d'usage.
Faites également en sorte que tout soit clair sur le papier. Voici à quoi ressemble une clause d'acceptation qui ne laisse aucune marge de manœuvre :
Clause d'acceptation
Une classe de qualité de l'eau déclarée doit être associée à une condition d'essai et à une méthode de mesure bien définies. La norme ISO 8573-1 définit les classes de pureté, tandis que la norme ISO 8573-3 traite de l'échantillonnage de l'humidité, de la correction de pression, de l'incertitude et de la communication des résultats (ISO 8573-1, 2010; ISO 8573-3, 1999).
Lire une promesse du PDP avec l'œil d'un acheteur
Lisez le devis en tenant compte de l’ensemble des conditions d’exploitation. Le type de sécheur définit la plage de PDP réalisable, tandis que le choix du média, le prétraitement, les paramètres de régénération et la charge d’exploitation déterminent si ces performances sont maintenues. Indiquez directement dans la garantie la PDP cible, la pression de service, le débit nominal, la température d’entrée, les conditions ambiantes, la perte d’air acceptable, la méthode d’essai et la durée. Pour les médias de remplacement, précisez également les conditions d’essai de capacité, la résistance à l’écrasement, l’attrition, la plage granulométrique et le schéma de chargement approuvé. Cela permet d’éviter qu’un remplacement nominalement équivalent ne modifie le comportement hydraulique ou d’adsorption du lit.
Adaptez le support de remplissage à votre point de rosée cible
JALON peut comparer les grades d'alumine activée 4A et 13X en fonction de votre pression de service, de la température d'entrée, du débit, de la méthode de régénération et du PDP requis. La recommandation peut inclure les fiches techniques des grades concernés, les conditions d'essai indiquées, les options de granulométrie et des échantillons destinés à la qualification avant un remplacement complet du lit.
Demander des échantillons gratuits et des rapports d'essaiRéférences
- ISO. ISO 8573-1:2010 — Air comprimé — Partie 1 : Contaminants et classes de pureté. 2010.
- ISO. ISO 8573-3:1999 — Air comprimé — Partie 3 : Méthodes d'essai pour la mesure de l'humidité. 1999.
- ISO. ISO 7183:2007 — Sécheurs d'air comprimé — Spécifications et essais. 2007.
- Département américain de l’Énergie. Améliorer les performances des systèmes d’air comprimé : un guide de référence pour l’industrie, troisième édition. 2016.
- Institut de l’air comprimé et des gaz. Séchage de l’air comprimé et des gaz. 2017.
- Institut de l’air comprimé et des gaz. Traitement de l’air comprimé. 2017.
- Institut national des normes et de la technologie. Mesures du point de rosée de l’eau dans les gaz comprimés. 2021.
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