Dans les dispositifs à air comprimé, on utilise des filtres pour élimination les impuretés. Même si cette fonction est essentielle, un autre polluant pose également problème dans ces installations. L’eau, sous forme liquide et gazeuse, est en effet parfois le principal contaminant à filtrer, à collecter et à éliminer. Une problématique difficile à appréhender. Humidité, point de rosée, conséquences sur l'installation, solutions techniques : Sofise fait le tour de la question.

De l'eau dans le gaz

L'air atmosphérique ambiant, à partir duquel on prépare l'air comprimé, contient toujours une certaine quantité de vapeur d'eau, qui dépend de sa température et de sa pression. Classiquement, on mesure quelques grammes d'eau par kilogramme ou m3 d'air. Lors de la compression, l'air ambiant voit son volume se réduire et sa température augmenter.

Cette transformation thermodynamique le sature en humidité. Lorsque sa température baisse à nouveau, par exemple lors de la circulation dans l'installation utilisant le gaz comprimé, l'air la restitue sous forme d'eau liquide. Tout refroidissement provoque donc de la condensation. La température à laquelle ce phénomène se produit est appelée point de rosée.

La quantité d'eau condensée est fonction de la quantité de vapeur d'eau dans l'air ambiant injecté dans le compresseur, de la quantité d'air comprimé en circulation, de la chute de température que subit l'air lors de la compression et la pression de l'air comprimé obtenu.

En pratique, dès la sortie du compresseur, l’humidité relative est égale à 100 % et on retrouve des gouttes d’eau dans l’air sortant. Un abaissement supplémentaire de la température provoquera la condensation d'un volume d’eau plus important. La quantité de liquide produite sous pression peut être considérable. Ainsi, un compresseur de 30 kW rejette environ 20 L dans la conduite d’air comprimé en 8 h, et ce pour humidité de 60 % et une température ambiante de 20°C.

Pour en savoir plus sur les filtres à air comprimé

 

Focus : le point de rosée 

Le point de rosée, ou température de rosée, est la température à laquelle la vapeur d'eau présente dans l'air ambiant se condense en eau liquide, à une pression donnée. Plus l'humidité du gaz est importante, plus le point de rosée (en °C) est élevé. Autrement dit, le point de rosée est la température à laquelle il faut refroidir un volume d'air, à pression et humidité absolue constantes, pour qu'il soit saturé.

Si la température ambiante est supérieure au point de rosée, il n'y a pas d'eau liquide dans l'air comprimé, seulement de la vapeur d'eau. Si elle est inférieure au point de rosée, la vapeur d'eau se transforme en gouttelettes d'eau liquide… Ce lien entre limite de saturation et température vaut également pour l'air comprimé. On parle alors de point de rosée sous pression.

Lorsque l'air est comprimé, la vapeur d'eau et la concentration en particules qu'il contient augmentent considérablement. Ce n'est que lors du refroidissement (dans le refroidisseur de l'installation ou plus tard dans le circuit) que l'excédent de vapeur d'eau forme un condensat, dès que la température redevient inférieure au point de rosée. Plus l’air d’admission du compresseur est chaud, plus il risque de contenir des quantités importantes d’humidité lorsqu’il sera comprimé et refroidi.  

Le terme de point de rosée sous pression permet donc de caractériser la teneur en eau de l'air comprimé. C'est la température à laquelle la vapeur d'eau se condense, à une pression de service donnée. Un point de rosée sous pression bas indique que seule une petite quantité de vapeur d'eau est présente dans l'air comprimé.

 Source image wikipedia.org

Quels risques pour les installations industrielles ?

L'eau liquide dans les conduites d'air comprimé a différents effets délétères :

  • Elle corrode les outils pneumatiques, les tuyaux, le réservoir d'air comprimé. Au-delà d’une humidité relative de 50%, ce phénomène augmente très sensiblement. Si les conduites ne sont pas galvanisées, elles rouillent progressivement si l’humidité est importante. Cette rouille finit par s'écailler, avec à la clef par exemple des buses qui se bouchent et des pannes dans l'installation.
  • Elle peut faire geler les conduites et les soupapes d'air comprimé en hiver, notamment si celle-ci sont situées en extérieur
  • Elle offre également un terreau favorable à la prolifération des micro-organismes, avec à la clef des risques de contamination bactérienne.
  • Elle nuit à la qualité du produit final dans certaines applications. Selon le secteur industriel, on peut constater les effets indésirables suivants : agrégation des poudres hygroscopiques alimentaires (épices, sucre etc.) ou non (sable par exemple), apparition de bulles avec in fine des problèmes d'adhérence ou des finis peu esthétiques lors des travaux de peinture et de revêtement. ‡

Pour chaque processus, il faut donc respecter un taux d’humidité donné et/ou un point de rosée sous pression spécifiques pour garantir un fonctionnement optimal de l'ensemble de l’installation sur le long terme.

 

Les sécheurs à air comprimé

L’air comprimé doit répondre à des critères précis en matière d'humidité et de point de rosée, qui varient avec l’application concernée. Pour débarrasser l'air comprimé de l'humidité qu'il contient, on utilise des sécheurs.

Ce séchage est généralement réalisé par deux méthodes : le séchage froid ou le séchage par adsorption. Selon les modèles, les sécheurs industriels permettent de traiter de 20 à 15 000 m3 par heure.

A noter que les condensats obtenus -qui contiennent, outre de l'eau, de l'huile, des impuretés, de la rouille- doivent être traités avant d’être mis au rebut selon les dispositions légales. Ils forment en effet un émulsion eau/huile, qui doit être considérée comme une huile usagée et ne doit pas être évacuée dans le circuit des eaux usées ou directement dans la nature.

Les sécheurs frigorifiques provoquent une condensation anticipée de l’humidité contenue dans l’air comprimé en le refroidissant à une température de l'ordre du point de rosée sous pression. Cette opération provoque la condensation de la vapeur d’eau excédentaire, qui est ensuite recueillie et éliminée.

Grâce à un système d’échangeur, l’air est réchauffé à la sortie du sécheur et distribué dans les installations en aval. Le point de rosée sous pression obtenu est de l'ordre de 3 °C ; le point de rosée de l'air sec et détendu à la pression atmosphérique étant alors de l'ordre de -20 °C. Après refroidissement et condensation, l'air comprimé asséché est réchauffé à température ambiante.

Conseil de l'expert :

 Il est important de protéger le sécheur des émulsions huileuses en utilisant un filtre, par exemple un filtre à coalescence. En effet, si des aérosols huileux entrent dans le dessiccateur, ils recouvrent rapidement la tubulure de son échangeur thermique, ce qui perturbe l'écoulement et nuit au capacités de refroidissement de ce dernier. 

 

Les sécheurs à adsorption utilisent pour leur part les propriétés de certains matériaux dessicants (alumine activée, charbon activé, tamis moléculaire, gel de silice) pour piéger les molécules d'eau et assécher l'air comprimé. Ces sécheurs sont le plus souvent constitués de deux colonnes fonctionnant en alternance séchage/régénération.

L'air comprimé humide traverse la première colonne. Au bout d’un temps donné, le dessicant qu'elle contient se sature en eau et perd de son efficacité. L’air à sécher est alors dirigé vers la seconde colonne, qui contient du dessicant sec.

Pendant que la seconde colonne traite l’air comprimé, la première est régénérée par chauffage du dessicant ou par balayage avec de l'air sec. La durée de la phase de régénération est toujours plus faible que celle de la phase d'adsorption de la colonne qui sèche l'air. L'utilisation de ces deux colonnes d'adsorption en parallèle permet donc au sécheur de délivrer en continu de l'air comprimé sec à l'utilisateur.

Le point de rosée obtenu par ces dispositifs dépend de la qualité de la régénération et de la durée de contact entre l'air comprimé et l'adsorbant. Il est en général compris entre -70 et -20 °C.

Conseil de l'expert :

 Les sécheurs à tamis moléculaire sont ceux qui permettent d'atteindre les points de rosée les plus bas

 

Les sécheurs à dessiccant doivent être équipés de dispositifs de préfiltration, pour préserver le dessicant, et de filtration aval pour garantir une bonne qualité de l’air sec produit.

 Source image : www.ultra-filter.com

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