Auteur : département technique Mycond
La conception de systèmes de déshumidification efficaces pour des chambres climatiques d’essais exige une compréhension approfondie des processus psychrométriques et la prise en compte des spécificités des régimes dynamiques. Ces systèmes doivent maintenir des paramètres d’humidité précis sur une large plage de températures, tout en assurant une réponse rapide aux changements des conditions d’essai. Dans cet article, nous présentons une méthodologie de calcul des systèmes de déshumidification de l’air pour des chambres d’essais, en tenant compte de la spécificité de ces installations de haute technologie.
Spécificités des chambres climatiques d’essais en tant qu’objets de contrôle hygrométrique
Les chambres climatiques d’essais modernes fonctionnent sur une plage de températures extrêmement large : de -70°C à +180°C, selon le type et l’usage. Les plages d’humidité relative sont également remarquablement étendues – de 10 % à 98 %. Ces paramètres sont définis par des normes d’essai internationales et sectorielles pour différents types d’équipements et de matériaux.
Une exigence clé pour ces systèmes est la haute précision de maintien des consignes. Les exigences typiques de précision d’humidité relative sont de ±2–3 %, ce qui nécessite des systèmes de contrôle de précision et des équipements adaptés. Un facteur particulièrement important est la vitesse de variation de régime, qui peut aller de quelques degrés par heure à plusieurs degrés par minute, selon le programme d’essais.
Le faible volume de l’espace de travail des chambres climatiques (de 0,5 à 10 m³) crée des défis supplémentaires pour les systèmes de contrôle de l’humidité. D’une part, un faible volume permet de modifier les paramètres plus rapidement ; d’autre part, il accroît la sensibilité du système aux influences externes et augmente les risques de sur‑régulation en raison de la faible inertie thermique.
Il convient de noter que toutes les plages indiquées sont données à titre indicatif et peuvent différer selon le type de chambre et les normes d’essais auxquelles elle est destinée.
Physique du processus : relation entre température, humidité relative et humidité absolue
La compréhension des processus psychrométriques est essentielle pour concevoir correctement les systèmes de déshumidification. Lorsqu’on modifie la température de l’air, sa capacité à contenir de la vapeur d’eau change, ce qui affecte directement l’humidité relative même à teneur absolue en humidité constante.
Selon l’équation de Mendéleïev‑Clapeyron, la relation entre la pression de vapeur d’eau saturante et la température s’exprime par :
$$p_s = p_0 cdot expleft(frac{L}{R} cdot left(frac{1}{T_0} - frac{1}{T}right)right)$$
où $p_s$ est la pression de vapeur d’eau saturante, $p_0$ la pression de vapeur saturante connue à la température $T_0$, $L$ la chaleur latente d’évaporation de l’eau, $R$ la constante universelle des gaz, $T$ la température absolue.
Lors du chauffage de l’air, son humidité relative diminue même si la teneur en humidité absolue reste inchangée. Cela s’explique par le fait que l’humidité relative ($varphi$) est définie comme le rapport de la pression partielle de vapeur d’eau ($p_v$) à la pression de vapeur saturante à la température considérée ($p_s$) :
$$varphi = frac{p_v}{p_s(T)} cdot 100%$$
Lors du chauffage, $p_s(T)$ augmente plus rapidement que $p_v$, ce qui entraîne une diminution de l’humidité relative. Par exemple, en chauffant de l’air de 0°C et 50 % d’humidité relative à 60°C, l’humidité relative chute à environ 3 % sans aucune modification de la teneur en humidité absolue.
Pour analyser les processus psychrométriques lors de la conception de systèmes de déshumidification, on utilise le diagramme h‑d de Mollier, qui permet de représenter graphiquement la relation entre l’enthalpie (h), la teneur en humidité absolue (d), la température (t), l’humidité relative ($varphi$) et d’autres paramètres de l’air.
Limites techniques de la déshumidification par condensation dans les chambres climatiques
La déshumidification par condensation repose sur le refroidissement de l’air en dessous du point de rosée, ce qui provoque la condensation de la vapeur d’eau. Toutefois, cette méthode présente des limites techniques significatives, en particulier pour les chambres climatiques à régimes dynamiques.
La principale limite est l’impossibilité de fonctionner efficacement à basse température. Lorsque l’air est refroidi en dessous de 0–3°C, le condensat gèle sur la surface de l’évaporateur, ce qui réduit fortement l’efficacité de l’échange thermique et peut conduire au blocage du flux d’air. Cela rend la déshumidification par condensation inadaptée aux chambres d’essais à basse température.
Un autre facteur important est l’inertie du système, due à la masse thermique de l’évaporateur. La variation de la performance de déshumidification lors d’un changement de régime n’est pas instantanée, mais s’étale sur 5 à 15 minutes, selon la masse de l’échangeur et l’intensité de l’échange thermique. Une telle inertie peut être critique pour les chambres d’essais où des changements rapides de paramètres sont requis.
La déshumidification par condensation est également limitée par le point de rosée atteignable. Pour la plupart des systèmes industriels, le point de rosée minimal est de +3…+5°C, ce qui ne permet pas d’atteindre les faibles valeurs d’humidité absolue requises pour certains essais.
Les performances de la déshumidification par condensation dépendent fortement de la température de l’évaporateur conformément aux lois thermodynamiques du cycle frigorifique. En abaissant la température de l’évaporateur, l’efficacité d’extraction d’humidité augmente, mais la capacité frigorifique du système diminue, ce qui impose de rechercher un compromis optimal.
Il convient de noter que tous les seuils de température et intervalles de temps mentionnés sont des repères issus de la pratique ingénierie et peuvent varier selon l’équipement et les conditions d’exploitation.
Déshumidification par adsorption : avantages et défis techniques pour les régimes dynamiques
La déshumidification par adsorption est une méthode efficace pour les chambres d’essais, notamment sur une large plage de températures de -70°C à +80°C. L’avantage clé des systèmes d’adsorption est la possibilité d’atteindre des points de rosée extrêmement bas – jusqu’à -70°C pour les systèmes à gel de silice, ce qui correspond à une teneur en humidité inférieure à 0,1 g/kg d’air sec.
Cependant, les systèmes d’adsorption présentent des particularités qu’il faut prendre en compte à la conception. Le temps de régénération du dessiccant varie de 20 à 180 minutes selon le type de dessiccant et son degré de saturation. Il détermine le cycle de fonctionnement et influence les caractéristiques dynamiques du système.
L’efficacité de la déshumidification par adsorption est déterminée par les isothermes d’adsorption, qui montrent la dépendance de la capacité d’adsorption vis‑à‑vis de l’humidité relative à une température donnée. Différents adsorbants ont des isothermes différents :
- Gel de silice – adsorbant le plus répandu, efficace pour des humidités relatives de 20 à 90 %
- Zéolithe – très efficace à faible humidité relative (moins de 20 %)
- Tamis moléculaires – permettent d’atteindre des points de rosée ultra‑bas, mais présentent une capacité globale moindre
La capacité d’adsorption dépend fortement de la température de régénération. L’augmentation de la température de régénération de 120°C à 180°C peut accroître la capacité de l’adsorbant de 30 à 50 %, ce qui améliore l’efficacité du système mais requiert des dépenses énergétiques supplémentaires.
Pour les régimes dynamiques des chambres d’essais, il est important de considérer que la capacité d’adsorption du dessiccant diminue lorsque la température de l’air traité baisse, ce qui peut nécessiter des mesures supplémentaires pour maintenir l’efficacité lors d’essais à basse température.
Méthodologie de calcul de la performance de déshumidification pour les chambres climatiques
Le calcul des performances d’un système de déshumidification pour des chambres d’essais requiert une approche globale tenant compte des régimes dynamiques. Le paramètre principal est la charge d’humidité, déterminée par la variation de la teneur en humidité absolue lors des changements de régime :
$$W = Delta d cdot V cdot rho cdot K_з$$
où $W$ est la performance de déshumidification requise (g/h), $Delta d$ la variation de la teneur en humidité absolue (g/kg), $V$ le volume de la chambre (m³), $rho$ la densité de l’air (kg/m³), $K_з$ le coefficient de sécurité.
L’algorithme de sélection du type de déshumidification peut être présenté ainsi :
- Si la température > +5°C ET le point de rosée > 0°C, la déshumidification par condensation est possible
- Si la température < +5°C OU le point de rosée < −10°C, la déshumidification par adsorption est nécessaire
- Dans les autres cas, un système combiné est recommandé
Pour des régimes dynamiques, il faut prévoir un coefficient de sécurité $K_з = 1,3…1,8$, qui dépend de la vitesse de variation des paramètres. Plus les paramètres évoluent rapidement, plus le coefficient doit être élevé.
Le calcul doit également tenir compte de la capacité tampon du circuit de déshumidification – le volume d’air à préparer à l’avance pour garantir des changements rapides de paramètres :
$$V_{буф} = V_{кам} cdot frac{Delta varphi}{100} cdot K_б$$
où $V_{буф}$ est le volume du réservoir tampon (m³), $V_{кам}$ le volume de la chambre (m³), $Delta varphi$ la variation d’humidité relative (%), $K_б$ le coefficient de tamponnage (généralement 2–5).
Temps de réponse du système de déshumidification et facteurs d’inertie
L’un des paramètres clés pour les chambres d’essais est le temps de réponse du système de déshumidification face aux changements de régime. Ce paramètre se compose de plusieurs éléments, chacun contribuant à l’inertie globale du système.
L’inertie thermique de l’évaporateur de condensation dépend de sa masse et de la capacité calorifique du matériau. Pour des évaporateurs typiques, cette durée est de 5 à 15 minutes et détermine la vitesse de variation de la performance de déshumidification lors d’un changement de régime.
Pour les systèmes d’adsorption, le facteur critique est le temps de régénération du rotor ou des cassettes d’adsorption, qui fixe le cycle minimal de fonctionnement. Selon le type d’adsorbant et la conception, ce temps peut varier de 20 à 180 minutes.
Un composant important est le retard de transport dans les conduits d’air, calculé comme :
$$t_{тр} = frac{V_{пв}}{Q}$$
où $t_{тр}$ est le temps de retard de transport (s), $V_{пв}$ le volume des conduits d’air (m³), $Q$ le débit d’air (m³/s).
Il ne faut pas oublier l’inertie des capteurs d’humidité, qui varie de 30 secondes à 3 minutes selon le type de capteur et la vitesse du flux d’air. Les capteurs capacitifs présentent généralement une inertie plus faible que les psychrométriques.
Le temps total de mise au régime peut être défini comme la somme de tous les composants d’inertie :
$$t_{заг} = t_{теп} + t_{рег} + t_{тр} + t_{дат}$$
où $t_{заг}$ est le temps total de mise au régime, $t_{теп}$ le temps d’inertie thermique, $t_{рег}$ le temps de régénération (pour les systèmes d’adsorption), $t_{тр}$ le temps de retard de transport, $t_{дат}$ le temps de réponse des capteurs.
Erreurs d’ingénierie typiques et idées reçues
Lors de la conception de systèmes de déshumidification pour des chambres d’essais, les ingénieurs commettent souvent des erreurs courantes pouvant conduire à une inefficacité du système, voire à son non‑fonctionnement.
L’une des erreurs les plus fréquentes consiste à choisir le déshumidificateur uniquement en fonction du volume de la chambre, sans tenir compte de la vitesse de variation des paramètres. Cela conduit à une performance insuffisante en régimes transitoires, lorsque le système n’a pas le temps de traiter le volume d’air requis dans le délai imparti.
Une autre erreur typique est l’utilisation de la déshumidification par condensation pour des chambres à basse température fonctionnant en dessous de 0°C. Dans ces conditions, le condensat gèle sur la surface de l’évaporateur, bloque le flux d’air et réduit l’efficacité de l’échange thermique. Il s’ensuit une perte totale de fonctionnalité du système de déshumidification.
Les ingénieurs ignorent souvent la variation de l’humidité relative lors d’un changement de température, même à teneur absolue en humidité constante. Cela conduit à un calcul incorrect des performances du système et, par conséquent, à l’impossibilité de maintenir les paramètres prescrits.
Le calcul des performances sans prendre en compte le temps de réponse du système est une autre erreur répandue. Elle provoque une sur‑régulation : le système continue à fonctionner même après l’atteinte de la consigne d’humidité en raison du retard du signal du capteur, entraînant une déshumidification excessive.
Il existe une idée reçue selon laquelle une précision de ±2 % d’humidité relative est atteignable à n’importe quelle vitesse de variation de température. En réalité, la précision atteignable dépend directement de l’inertie de l’ensemble du système et de la vitesse de variation des paramètres.
Conclusions
La conception de systèmes de déshumidification pour des chambres climatiques d’essais exige une approche globale prenant en compte de nombreux facteurs. Les paramètres clés pour le choix du système sont la plage de températures de fonctionnement, le point de rosée requis et la vitesse de changement de régime.
Il est particulièrement important de comprendre les processus psychrométriques en température variable, notamment la variation de l’humidité relative lors du chauffage et du refroidissement de l’air, même à teneur absolue en humidité constante.
Pour garantir un contrôle précis de l’humidité en régimes dynamiques, il est nécessaire de considérer le temps de réponse du système, composé de l’inertie thermique, du retard de transport et du temps de régénération des adsorbants.
Les systèmes de déshumidification combinés, associant les méthodes par condensation et par adsorption, constituent souvent la solution optimale pour des chambres d’essais avec large plage de températures. Ils permettent d’exploiter les avantages de chaque méthode dans son domaine de conditions optimal.
Pour chaque application, un calcul individuel doit être réalisé en tenant compte de la spécificité des essais et des exigences des normes correspondantes. Les erreurs d’ingénierie typiques peuvent être évitées en suivant la méthodologie de calcul globale présentée dans cet article.
