La surveillance du point de rosée permet d'éviter les arrêts de production et le rejet des produits
Les dangers liés à l'humidité et la manière dont la gestion de l'humidité et la surveillance du point de rosée peuvent être mises en œuvre dans la pratique constituent le thème central d'une série en deux parties, dont la première a été publiée dans le dernier numéro de Process Control. Ces deux articles ont été rédigés en collaboration avec Frank Moskowitz, formateur au Compressed Air Challenge, et Pascal van Putten, PDG de VPInstruments Delft.
Source des problèmes
Dans l'article précédent, nous avons vu les dommages que l'humidité peut causer dans les systèmes d'air comprimé, tels que la formation de rouille et la corrosion par piqûres à l'intérieur des conduites. Mais l'humidité peut également chasser les lubrifiants, ce qui entraîne une usure accrue des vannes, des vérins et des outils pneumatiques. De plus, l'humidité est néfaste pour la qualité de processus critiques tels que la peinture au pistolet, la production de semi-conducteurs ou le transport pneumatique d'aliments secs pour animaux. Si de l'humidité s'y ajoute, ces derniers vont s'agglomérer. L'humidité constitue en outre un terrain propice au développement de moisissures et de bactéries, ce qui peut entraîner le rejet de produits, notamment dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique. Dans les environnements industriels, les mesures du point de rosée sont le seul moyen de déterminer la teneur en humidité de l'air comprimé et de prévenir les dommages dus à la corrosion ainsi que le rejet de produits.
Principe de la mesure du point de rosée
La température du point de rosée est la température à laquelle l'air est complètement saturé (= 100 % d'humidité relative). Si la température continue de baisser, de la brume, du brouillard ou de la condensation se formeront.
Les trois techniques les plus courantes pour mesurer le point de rosée sont les capteurs à miroir, les capteurs capacitifs à oxyde métallique et les capteurs à polymère. Dans le premier principe de mesure, un miroir compact est refroidi par un élément Peltier. Lorsque le point de rosée du gaz est atteint, le miroir s'embue, ce qui est détecté par un capteur de lumière. La température actuelle du miroir à ce moment-là correspond au point de rosée de l'air ou du gaz. Les capteurs à miroir sont très précis, mais également très sensibles à la poussière, à la saleté et à l'huile. Ils sont coûteux (y compris en entretien), ne sont pas « stables à long terme » et sont donc moins intéressants pour une utilisation dans des environnements industriels. Les capteurs capacitifs à oxyde métallique et à polymère sont nettement mieux adaptés à cet usage.
Le fonctionnement du transmetteur VP Dew Point repose sur un capteur polymère dit « capacitif », qui résiste à la poussière et aux salissures, est insensible à la condensation et offre une bonne stabilité à long terme.
Le capteur polymère capacitif, en particulier, est le mieux protégé contre la poussière et les salissures, il est insensible à la condensation, offre une bonne stabilité à long terme et est nettement moins cher que les capteurs à point de rosée à miroir.
Conception du capteur
Le capteur polymère capacitif est constitué de deux électrodes entre lesquelles se trouve une couche de polymère sensible à l'humidité. L'électrode supérieure est perméable à l'humidité, ce qui entraîne une variation de la capacité entre les électrodes en fonction de la quantité d'humidité présente dans l'air. Celles-ci sont reliées à l'électronique intégrée qui convertit cette variation de capacité en température du point de rosée, affichée en degrés Celsius ou Fahrenheit. Certains capteurs de point de rosée, comme le VP Dew Point Sensor, disposent d'un système de chauffage interne unique en son genre, ce qui leur permet de se rétablir très rapidement après avoir été exposés à une humidité très élevée. Cela peut se produire, par exemple, si un séchoir ne fonctionne pas correctement, si les séparateurs d'eau ne remplissent pas leur fonction et/ou si les drains sont défectueux.
Avec les drains électroniques, il faut donc veiller à ce qu'ils fonctionnent correctement. Le capteur interne peut par exemple être défectueux, ou le flotteur peut rester bloqué, ce qui entraînera une accumulation croissante d'eau au fond du réservoir tampon. Un drain électronique est d'ailleurs presque toujours équipé d'un bouton de test permettant de vérifier son fonctionnement à intervalles réguliers. En cas de défaillance prolongée du drain, de la condensation finira par s'accumuler dans les conduites, ce qui fera que le capteur de point de rosée indiquera soudainement une « valeur très élevée ». On pense alors parfois que le capteur est défectueux, mais ce sont en réalité des problèmes mécaniques ou électroniques qui en sont la cause.
Un emplacement idéal pour un capteur de point de rosée se trouve juste derrière le sèche-linge, ce qui permet également de vérifier son bon fonctionnement.
Installer les capteurs
La grande question est bien sûr de savoir combien de capteurs de point de rosée doivent être installés dans un système d'air comprimé et où les placer pour obtenir des mesures fiables. La solution la plus simple (pour commencer) consiste à installer un capteur de point de rosée juste après le sécheur et avant le réservoir tampon. De cette manière, on vérifie également le bon fonctionnement du sécheur. Il est également possible de placer le capteur après le réservoir tampon, mais il faut alors tenir compte d'un retard dans le signal de mesure. Si deux sécheurs sont montés en parallèle, il est conseillé de placer un capteur de point de rosée derrière chaque sécheur. En effet, si l'on n'utilise qu'un seul capteur dans la conduite centrale menant au réservoir tampon, il ne sera pas possible, en cas de mesure anormale, de déterminer immédiatement quel sécheur est à l'origine du problème. Il est également judicieux, pour les processus critiques, d'installer un capteur de point de rosée supplémentaire dans la conduite d'alimentation de ce processus, afin de pouvoir intervenir à temps si le point de rosée présente un problème. Cela permet d'éviter ou de limiter les pertes de production.
Si l'installation d'air comprimé est composée d'un ensemble de compresseurs et de sécheurs, installez un capteur de point de rosée en aval de chaque sécheur afin de pouvoir identifier rapidement, en cas d'écarts par rapport au point de rosée, quel sécheur en est à l'origine.
Exemple de bloc
Les capteurs de point de rosée fonctionnent mieux lorsqu'ils mesurent un débit d'air constant. Leur performance ne dépend donc pas seulement de leur emplacement, mais aussi de leur mode d'installation. Par exemple, lorsqu'ils sont montés directement dans un conduit d'air, les capteurs sont exposés directement à la pollution et la mesure peut être faussée par les fluctuations du débit. De plus, ils sont souvent installés dans une vanne à boisseau sphérique, ce qui présente l'inconvénient de créer des poches dans la vanne où l'air stagne, pour ainsi dire. Il est préférable d'utiliser un bloc d'échantillonnage. À l'aide d'une petite vanne à pointeau, un petit flux d'air continu est alors dirigé sur l'élément capteur, ce qui garantit une mesure fiable.
Les capteurs de point de rosée peuvent en principe être montés directement sur une conduite d'air comprimé et, comme dans cet exemple, être associés à une vanne.
Combiner des mesures
Afin de pouvoir identifier plus rapidement et plus efficacement certaines causes, il est recommandé de combiner les mesures du point de rosée avec celles de la pression, du débit et de la température. Un débitmètre peut par exemple être installé en aval du sécheur et du réservoir tampon. Veillez toutefois à choisir un modèle spécialement conçu pour mesurer aussi bien l'air (très) sec que l'air humide.
Il existe également ce qu'on appelle des « débitmètres trois-en-un », comme le VPFlowScope. Outre le débit, cet appareil mesure simultanément la température et la pression. En combinant ces mesures avec celles du point de rosée et de la puissance, on obtient des informations optimales sur le bon fonctionnement de l'installation d'air comprimé. Si, par exemple, la température d'entrée du sécheur frigorifique est trop élevée ou si le débit est trop important, le sécheur aura du mal à refroidir suffisamment l'air, ce qui a un effet direct sur la valeur du point de rosée. L'ajout de capteurs de pression dans le système d'air comprimé permet de surveiller les pertes de pression au niveau du sécheur et du système de filtration, ce qui permet de prédire avec précision le moment où les filtres doivent être remplacés. De même, une baisse du débit et/ou de la pression peut indiquer que l'intérieur du sécheur est encrassé.
En mesurant simultanément la puissance, il est également possible de calculer le rendement du séchoir et de le comparer à celui d'autres séchoirs. Ces données peuvent ensuite servir, par exemple, à optimiser la maintenance et à vérifier a posteriori si les choix effectués lors de l'achat du ou des séchoirs étaient les bons.
Les capteurs de point de rosée fonctionnent mieux lorsqu'ils mesurent un débit d'air constant. En les monter dans ce qu'on appelle un « bloc d'échantillonnage », un petit flux d’air continu est acheminé sur l’élément capteur au moyen d’une petite vanne à pointeau, ce qui garantit une mesure précise et fiable.
Point de rosée central ou local
Étant donné que le séchage de l'air comprimé nécessite beaucoup d'énergie et représente donc un coût important, il est judicieux d'aborder ce sujet avec un regard extrêmement critique. Dans de nombreuses entreprises, le point de rosée de l'air comprimé est adapté au processus le plus critique de l'usine. On opte souvent pour un ou plusieurs sécheurs frigorifiques et/ou sécheurs par adsorption installés dans la salle des compresseurs, juste derrière le ou les compresseurs. Tous les appareils et systèmes fonctionnant à l'air comprimé dans l'usine utilisent alors la même air sec, mais la question est de savoir si cela est nécessaire dans toute l'usine ou seulement pour des processus/départements spécifiques. Dans ce dernier cas, on pourrait en effet opter pour des sécheurs locaux, qui pourraient en outre être plus petits puisqu'ils n'ont pas à sécher la totalité du volume d'air comprimé. Il est évident que cela permettrait également de réaliser d'importantes économies d'énergie.
Il convient également de se demander si l'on a réellement besoin d'un point de rosée aussi bas tout au long de l'année et comment éviter les fluctuations du point de rosée dues aux variations saisonnières. Par exemple, en améliorant l'isolation des conduites et/ou en les faisant passer le long de tuyaux de vapeur ou de chauffage, ce qui permet d'éviter la formation de condensation pendant les périodes plus fraîches.
« La grande question est bien sûr de savoir combien de capteurs de point de rosée il faut installer dans un système d'air comprimé et où les placer pour obtenir des mesures fiables. »
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En matière de consommation énergétique, il est également essentiel d'examiner de manière critique le point de rosée sous pression réellement nécessaire et/ou la nécessité de refroidir tout l'air de manière centralisée. La norme ISO 8573-1:2010 constitue un bon guide à cet égard, puisqu'elle classe les valeurs de point de rosée en sept catégories : de la classe 0 à la classe 6.
Un autre« facteur insidieux »réside dans la différence entre le point de rosée sous pression (par exemple 10 °C) et la température ambiante plus basse du réseau de tuyauterie en aval du séparateur d'eau et du sécheur par refroidissement (par exemple 4,5 °C). Cette baisse de température de 5,5 degrés signifie que 23 litres d'humidité supplémentaires pénètrent dans le système chaque semaine.
La classe 0 correspond à la catégorie la plus élevée, qui ne s'applique que dans de rares cas, par exemple lorsque de l'air comprimé est nécessaire dans des salles blanches de la catégorie la plus stricte. La classe 1 correspond à un point de rosée sous pression de -70 °C, tandis que la classe 6 correspond à +10 °C. Une analyse minutieuse des besoins réels peut permettre de réaliser d'importantes économies, tant au niveau de l'investissement dans l'installation d'un sécheur que de son exploitation ultérieure. Dans de nombreuses applications, les sécheurs par réfrigération constituent la solution la plus rentable pour sécher l'air comprimé. Leur fonctionnement est similaire à celui d'un réfrigérateur classique. Le refroidissement de la température de l'air comprimé provoque la condensation de la vapeur d'eau présente dans l'air comprimé en eau, qui est ensuite évacuée. On atteint ainsi un point de rosée sous pression de 3 à 4 °C. Si des valeurs plus basses sont nécessaires, le principe de l'adsorption entre en jeu. Les sécheurs par adsorption sont généralement constitués de deux colonnes remplies d'un agent dessiccatif qui assurent le séchage en alternance ou sont régénérées. Pendant que l'air comprimé s'écoule à travers un réservoir et est séché, l'agent dessiccatif est régénéré dans un deuxième réservoir. Cette régénération peut s'effectuer à froid (sécheur par adsorption à régénération à froid) ou à chaud (sécheur par adsorption à régénération à chaud). Les sécheurs par adsorption permettent d'atteindre des points de rosée sous pression très bas, pouvant aller jusqu'à -70 °C, même avec des volumes d'air importants. En gros, on peut estimer qu’un sécheur par réfrigération consomme environ 0,3 kW/m³/min d’énergie, tandis qu’un sécheur par adsorption nécessite environ cinq fois plus d’énergie (environ 1,5 kW/m³/min).
Un séchage plus économe en énergie
Grâce aux innovations, on trouve aujourd’hui sur le marché de nouvelles générations de sécheurs frigorifiques et à adsorption qui sont nettement plus efficaces sur le plan énergétique que les sécheurs « conventionnels ». Il existe ainsi des sécheurs par réfrigération permettant d’atteindre des points de rosée sous pression allant jusqu’à -40 °C, ainsi que des sécheurs hybrides ou en tandem dans lesquels un sécheur par réfrigération refroidit l’air jusqu’à un point de rosée sous pression de 4 °C, après quoi, lors de la « deuxième étape » utilisant le principe d’adsorption, des points de rosée sous pression allant jusqu’à -70 °C peuvent être atteints. Dans le cadre du coût total de possession (TCO), il est également judicieux d’examiner de manière critique le dessiccant utilisé. En optant pour une autre marque ou un autre type de dessiccant qui, par exemple, nécessite moins d'énergie de régénération et/ou doit être remplacé moins souvent, il est possible de réaliser des économies. De plus, dans le cas des sécheurs à adsorption à pression alternée (PSA), où le dessiccant est régénéré à froid, il est important d'examiner la consommation d'énergie réelle du cycle de régénération. Dans ce type de sécheurs, le processus de régénération est effectué à l'aide d'air comprimé, ce qui nécessite environ 15 à 20 % de la capacité nominale du sécheur à une pression de service de 7 bar(e). Mais cela ne se vérifie pas toujours dans la pratique.
Il est important, lors de la mesure du débit dans les conduites d'air comprimé, d'utiliser un débitmètre adapté à la mesure de l'air (très) sec que de l'air humide, comme ce VPFlowScope DP.
Par exemple, parce que le débit de régénération est réglé trop haut, ce qui peut être dû à un entretien mal effectué ou à un mauvais réglage initial lors de la mise en service. C'est pourquoi il est recommandé de toujours vérifier si le débit d'entrée est réglé sur la valeur correcte. Cela peut se faire en surveillant ce débit à l'aide d'un débitmètre adapté à la mesure de l'« air humide », tel que le VPFlowScope DP mesurant simultanément le débit de sortie afin de déterminer le débit de régénération sortant du sécheur. Il est également intéressant, lors de l'achat d'un sécheur par adsorption, d'opter pour un modèle avec régulation du point de rosée intégrée. Le processus de régénération est ainsi contrôlé en fonction du point de rosée réel plutôt qu'en fonction du temps, ce qui a également un effet positif sur la consommation d'énergie et le coût total de possession (TCO).
Enfin, il existe également des sécheurs à membrane. Le séchage s'effectue ici à l'aide de membranes hautement sélectives permettant d'atteindre des points de rosée sous pression compris entre -40 °C et +15 °C. Les sécheurs à membrane conviennent particulièrement aux laboratoires ou aux solutions mobiles compactes où les débits volumétriques sont relativement faibles. Certes, le séchage ne nécessite pas de source d'énergie distincte, mais ce type de sécheurs consomme toutefois de l'air comprimé supplémentaire. Il convient donc de bien surveiller les coûts lors du choix du sécheur.
« Un autre point à prendre en considération est de savoir s'il est vraiment nécessaire de maintenir le même point de rosée bas tout au long de l'année. »
Réservoir tampon de drogue
Il est recommandé d'installer un « réservoir tampon d'air sec » séparé juste derrière le sécheur. Celui-ci protège le sécheur contre les surcharges et permet également de dimensionner le sécheur en fonction du débit moyen plutôt que d'un pic de demande (de courte durée). Cela permet généralement de choisir un sécheur plus petit. De plus, le réservoir supplémentaire contribue à stabiliser la pression du système et peut même avoir un effet bénéfique sur le dimensionnement et la commande du compresseur.
« Grâce aux innovations, on trouve aujourd’hui sur le marché de nouvelles générations de sécheurs à froid et à adsorption qui sont nettement plus efficaces sur le plan énergétique que les sécheurs « classiques » »
Surveillance permanente
La base d'une installation d'air comprimé saine et d'une rentabilité optimale réside dans une surveillance permanente, combinant des mesures du point de rosée avec des mesures de débit, de pression, de température et de puissance. En affichant toutes ces données de manière claire dans un système de surveillance spécialement développé à cet effet, tel que VPVision, le comportement du système peut être suivi et analysé 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, 365 jours par an. Les fluctuations de la demande, du point de rosée, une température trop élevée du compresseur : tout est mis en évidence en temps utile et une alerte est déclenchée rapidement si les choses déraillent. Cela fournit également des informations extrêmement précieuses pour l'optimisation de la maintenance, pour prendre les bonnes décisions d'investissement en vue d'une expansion future et pour l'optimisation de l'ensemble du système d'air comprimé. Une surveillance permanente prolonge la durée de vie des équipements, réduit les coûts de maintenance et d'énergie et prévient les pertes de produit et les arrêts de production.
La solution en ligne VPVision peut être consulté sur n'importe quel appareil et en tout lieu. Analyses, indicateurs clés de performance (KPI), relevés de consommation, alertes : toutes les informations sont présentées de manière claire et intuitive via un nombre d'écrans et de rapports librement configurables.
Par Frank Senteur, dans Process Control Magazine.
Webinaire : Mesure du point de rosée dans les systèmes d'air comprimé
Découvrez dans ce webinaire les effets néfastes de la contamination de l'eau et comment gérer le point de rosée dans les systèmes d'air comprimé.
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