Comprendre l'humidité, partie 1 : Concepts fondamentaux que tout ingénieur devrait connaître

En théorie, l’humidité n'a rien de compliqué – après tout, ce n’est qu’une mesure de la vapeur d'eau dans l’air. Mais il est également important de connaître les rapports entre différents paramètres d’humidité ou comment l’humidité varie sous l'effet de la température et de la pression. Dans cet article, nous démystifions les paramètres clés de l’humidité et expliquons pourquoi ils sont importants dans différentes applications industrielles.

Pourquoi est-il important de comprendre l'humidité ?

La plupart des ingénieurs savent mesurer l’humidité. Mais il est aussi important de savoir comment les différents paramètres d’humidité interagissent entre eux et comment ils évoluent en fonction de la température et de la pression. La moindre erreur, même apparemment minime, peut avoir des conséquences graves pour les processus, tels qu’une mauvaise qualité des produits, un gaspillage d’énergie ou une non-conformité réglementaire.

Les erreurs de mesure de l’humidité peuvent avoir différents impacts selon l’application. Voici des exemples d'applications et de problèmes que des mesures inexactes peuvent provoquer :

• CVC et automatisation du bâtiment : diminution du confort, baisse de la qualité de l'air intérieur, faible efficacité énergétique
• Salles blanches (pharmacie, biotechnologie, semi-conducteurs) : non-conformité réglementaire, risques pour la sécurité des produits
• Fabrication de semi-conducteurs : baisse du rendement
• Production de batteries et salles sèches : risques de sécurité, faibles performances, baisse du rendement
• Alimentation et boissons : mauvaise consistance du produit, contamination
• Systèmes d’air comprimé : condensation et corrosion

Concepts clés de l’humidité que tout ingénieur devrait connaître

Du surséchage et de la hausse des frais d'énergie à la sous-estimation du risque de condensation et à l’altération des produits, dans tous les secteurs, une mauvaise interprétation des niveaux d’humidité entraîne des décisions inappropriées pour le contrôle. Comment mesurer l’humidité avec exactitude ? Voici une explication simple des points à connaître.

Humidité relative (HR)
L’humidité relative ou HR est l’unité d’humidité la plus couramment utilisée, mais elle est souvent mal comprise. L’humidité relative dépend fortement de la température – le terme « relatif » fait référence à la différence entre la quantité de vapeur d’eau présente et la quantité maximale que l’air peut contenir à cette température. Exprimée en pourcentage, l'HR est le rapport entre la pression partielle de la vapeur d’eau et la pression de saturation.

p_w = pression partielle de la vapeur d’eau
p_ws = pression de saturation de la vapeur d'eau

Si l’HR atteint les 100 %, la quantité maximale de vapeur d’eau pouvant être contenue dans l'air est atteinte : tout apport supplémentaire se transformera en eau liquide ou en glace par condensation. Lorsqu’il n’y a pas de vapeur d'eau dans l’air, l’humidité relative est de 0 %, quelle que soit la température. Étant donné que la pression de saturation dépend fortement de la température, quand la température augmente, la pression de saturation augmente aussi. Autrement dit, même si la teneur en humidité reste la même, l'HR diminuera à mesure que la température augmente.

• Exemple pratique d'HR : La température extérieure est de -14 °C et l’humidité relative est de 60 %. Lorsque de l’air pénètre dans un bâtiment de bureaux, il est chauffé à +21 °C, mais la quantité d’eau demeure constante – aucune eau n’est ajoutée ou retirée de l’air dans les systèmes de ventilation normaux. En raison du chauffage, la pression de saturation de la vapeur d'eau augmente, ce qui signifie que l'air peut contenir davantage de vapeur d'eau. Comme la pression partielle de la vapeur d’eau reste inchangée, l’HR passe à 5 %, un pourcentage perçu comme trop sec par les personnes qui se trouvent dans la pièce.
• Pourquoi il est déconseillé de se fier uniquement à l’humidité relative : L’HR dépend fortement de la température, si bien que la moindre variation de la température peut entraîner de grandes fluctuations de l’humidité relative, sans aucun changement réel de l’humidité. En effet, l’HR indique à quel point l’air est proche de la saturation à la température actuelle – et non la quantité d’humidité effectivement présente. C'est pourquoi l’humidité relative peut induire en erreur si vous l’utilisez comme paramètre autonome. Dans les environnements très secs et pressurisés, comme les systèmes d’air comprimé, l’humidité relative devient pratiquement inutile, car toutes les valeurs pertinentes sont extrêmement faibles (souvent inférieures à 1 %), ce qui offre une faible résolution et ne permet pas de déterminer la qualité réelle de l'air comprimé.

Point de rosée (Td) et point de givre (Tf)
La température du point de rosée est le deuxième paramètre d'humidité le plus souvent utilisé. Autrement dit, il s'agit de la température à laquelle l'air doit être refroidi pour être saturé de vapeur d'eau. À ce point, tout eau supplémentaire commence à condenser. Contrairement à l'humidité relative ou HR, la température du point de rosée ne dépend pas de la température ambiante. Elle est directement liée à la quantité d'eau dans l'air et est toujours inférieure ou égale à la température réelle.

Lorsque la température du point de rosée est inférieure à 0 °C, on parle de point de givre (Tf), car l’humidité se dépose sous forme de glace plutôt que d’eau liquide. En pratique, les termes sont souvent utilisés de manière interchangeable, et les instruments rapportent généralement une valeur combinée du « point de rosée/point de givre » (Td/f).

La température du point de rosée est affectée par la pression, une pression plus élevée entraînant une hausse de la température du point de rosée. Dans des conditions atmosphériques normales, la température du point de rosée ne peut pas dépasser 100 °C, car à cette température l’air serait entièrement composé de vapeur d'eau. Pour augmenter la quantité d’eau au-delà de cette valeur, la densité de vapeur et donc la pression doit augmenter. Dans les applications spéciales comme les processus de fabrication de semi-conducteurs où le vide sert à améliorer le séchage des matériaux, le point de rosée peut atteindre les –80 °C, ce qui correspond à environ 1 ppm de vapeur d’eau.

La pression de saturation de vapeur d'eau à différentes températures est une variable connue. Il est donc possible de calculer le point de rosée à partir de l’HR et de la température. Inversement, si le point de rosée et la température ou l’HR sont connus, il est possible de calculer la variable manquante. Le point de rosée est la mesure la plus fiable à des niveaux d'humidité bas. Les incertitudes de mesure sont reprises dans les paramètres d’humidité calculés. À des taux d’humidité très bas, il est donc souvent recommandé de mesurer directement le point de rosée, car le point de rosée calculé à partir de l’humidité relative et de la température peut être nettement moins précis.

Point de rosée dans la réalité : Dans une salle blanche, la cible de contrôle est de 40 (±2) % d’HR à une température de 20 (±1) °C. Comme l’HR dépend de la température, ce n’est pas le meilleur paramètre de contrôle ici – il serait pratiquement impossible d’assécher ou d’humidifier l’espace tout en maintenant une température stable. Pour remédier à ce problème, on utilise la température du point de rosée comme paramètre de contrôle. À une HR de 40 % et à 20 °C, le point de rosée est de 6,0 °C. Une plage de contrôle étroite du point de rosée permet de mieux contrôler l'environnement et d'économiser de l'énergie.

• Pourquoi le point de rosée/point de givre l’emporte sur l’HR dans les applications exigeantes : Dans des environnements très secs et pressurisés, comme les systèmes d’air comprimé, l’humidité relative est pratiquement inutile. Toutes les valeurs sont inférieures à 1 % HR, ce qui constitue une faible résolution et ne permet pas vraiment de différencier. Td/f est une mesure standardisée et exploitable de la teneur en humidité et indique directement la température à laquelle la condensation (ou la formation de glace) aura lieu sous l'effet de la pression du système. Ceci est essentiel pour empêcher certains problèmes comme le gel dans les conduites de pression, les coups de bélier, les défaillances de joints d'étanchéité et le lavage du lubrifiant. Td/f est aussi la valeur de référence utilisée dans les normes d’air comprimé, garantissant la conformité.

Humidité absolue (a)
L’humidité absolue décrit le nombre de grammes de vapeur d’eau présents par mètre cube d’air. Étant donné qu'elle fournit une mesure fiable de la quantité d’eau présente, l’humidité absolue est un paramètre très utilisé, notamment dans les applications de séchage ou de contrôle de process où la masse d’eau réelle importe plus que le pourcentage de saturation.

La densité de l’air varie en fonction de la pression, de sorte que l’humidité absolue dépend très fortement de la pression du gaz. Dans les processus sous pressurisés, il faut connaître la pression pour calculer l’humidité absolue à partir des autres variables d’humidité.

Enthalpie (h)
L’enthalpie est le contenu énergétique total de l’air humide comparé à un état de référence. C'est la quantité d’énergie nécessaire pour amener l’air sec de 0 °C à sa température actuelle.
0 °C. Bien que l’enthalpie ne soit pas à proprement parler une mesure de l’humidité, la vapeur d'eau a une capacité thermique spécifique très élevée et peut être présente dans l’air à différentes concentrations. Autrement dit, elle a une grande influence sur l’enthalpie.

L’enthalpie est le plus souvent utilisée pour comparer l'énergie thermique totale des gaz dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC). Il est important de rappeler que lorsque l’enthalpie est exprimée en unités impériales, le point de référence sera différent. Par conséquent, les valeurs d’enthalpie calculées dans différentes unités ne sont pas comparables.

Rapport de mélange (x)
Le rapport de mélange définit la masse de vapeur d’eau dans un volume contenant un kilogramme de gaz sec. La densité de l’air varie en fonction de la pression. Le rapport de mélange dépend donc également de la pression du gaz. Dans les processus impliquant de l'air comprimé, il faut connaître la pression afin de calculer le rapport de mélange à partir d’autres variables d’humidité.  

Le rapport de mélange est utilisé avant tout pour calculer la teneur en eau lorsque le débit massique de l’air est connu, par exemple, dans les systèmes de ventilation.

Effet de la pression
Selon la loi de Dalton, toute variation de la pression totale d'un gaz a un effet sur les pressions partielles de tous les composants gazeux, y compris la vapeur d'eau. Si, par exemple, la pression totale est doublée, les pressions partielles de tous les composants gazeux sont aussi doublées.

Dans les applications d’air comprimé, une augmentation de la pression sert à séparer l’eau de l’air. En effet, la pression partielle de la vapeur d'eau (p_w) augmente alors que la pression de saturation, uniquement dépendante de la température, ne varie pas. Quand la pression augmente dans un réservoir et que la p_w atteint la p_ws, l'eau se condense pour passer à l'état liquide et doit être évacuée du réservoir. Ignorer la pression dans les systèmes pressurisés peut conduire à sous-estimer le risque de condensation.

Si vous comprenez comment les différents paramètres d'humidité sont liés les uns aux autres et comment ils évoluent avec la température et la pression, vous pouvez éviter les petites erreurs qui peuvent avoir des impacts importants sur le processus, tels qu'une mauvaise qualité du produit, un gaspillage d'énergie ou un problème de conformité. Dans la deuxième partie de cette série, vous découvrirez comment l’humidité agit et réagit dans des conditions réelles et comment choisir l’instrument de mesure de l’humidité adapté à votre application. Consultez également notre site web pour en savoir plus sur l’humidité.
 

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