Question sur l'humidité relative

[Pej07]

Bonjour,

Je dois réaliser un banc de test qui me permettra de déterminer sous quelles conditions apparaît du givre dans une enceinte close.

Cette enceinte est remplie d'argon pur a 99.99% à une pression de 1200mbar et équipée d'un élément refroidi à -40°c sur lequel nous souhaitons éviter l'apparition de givre.
Nous laissons rentrer de l'air ambiant en très faible quantité pour simuler les fuites au cours du temps.

La question que je me pose est la suivante :

Puis-je utiliser un capteur qui mesure l'humidité relative pour cette application ?

Etant donné que tout ce que je trouve concernant cette valeur concerne l'air ambiant, je n'arrive pas a déterminer si l'humidité relative est utilisable pour un autre mélange gazeux.



Si j'ai bien compris l’humidité relative dépend de la pression partielle de l'eau par rapport à la pression de vapeur saturante. Je n'arrive pas à déterminer si la pression de vapeur saturante est lié uniquement à l'eau ou également au mélange de gaz dans lequel se trouve cette vapeur d'eau.


Merci de votre aide !
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[mach3]

Dans ces conditions, on peut considérer sans trop d'erreur que l'on a à faire un mélange de gaz parfaits (comme l'air), la pression partielle étant alors égale à la fugacité, la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température restera sensiblement la même que dans l'air (la vapeur d'eau se comporte comme si elle était seule).

m@ch3

[phys4]

Si j'ai bien compris l’humidité relative dépend de la pression partielle de l'eau par rapport à la pression de vapeur saturante. Je n'arrive pas à déterminer si la pression de vapeur saturante est lié uniquement à l'eau ou également au mélange de gaz dans lequel se trouve cette vapeur d'eau.

Bonjour,
L'humidité relative est le rapport entre la pression de vapeur et la pression de vapeur saturante, elles ne dépendent pas du gaz utilisé, dans la mesure où ce dernier n'est pas, ou peu soluble dans l'eau.

[Pej07]

Merci pour vos réponses !

Du coup, si j'ai bien compris, rien n’empêche pour mon application d'utiliser un capteur à mesure d'humidité relative ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[phys4]

Tant que les gaz utilisés sont neutres pour l'eau et le capteur, la mesure reste précise.

[FC05]

Pas certain que les capteurs courants fonctionnent.

Pour -40°C, ça va faire très bas en pression absolue, ils annonceront tous 0% AMHA.

A ce niveau il faut partir sur des trucs beaucoup plus cher à base de capteurs IR ou de mesure directe de température de rosée (enfin de givrage à ces température).

[Pej07]

@FC05 : Tu parles de pression absolue car c'est ce qui est mesuré par les capteurs d'humidité relative ? Et du coup ils donneraient 0% de taux d'humidité relative ?

[mach3]

Il n'y a que l'élément refroidi à -40°C qui est a -40°C? quel est la température dans le reste de l'enceinte?

m@ch3

[Pej07]

Il n'y a qu'un élément qui est refroidi à -40°C sur lequel je veux éviter l'apparition de givre. Je me suis donc placer dans le cas le plus critique car je ne connais pas la température de l'enceinte. Elle me sera donnée par la sonde hygro/temp une fois mon banc de test réalisé mais je n'ai aucun moyen le connaitre actuellement.

[mach3]

Si la température de l'enceinte se trouve être trop basse, la remarque de FC05 tient : la tension de vapeur sera tellement faible que le capteur sera à l'ouest (après il faut voir les spec du capteur, il doit avoir une plage de température de fonctionnement).

m@ch3

[RomVi]

Bonjour

En théorie l'utilisation d'un capteur d'hygrométrie est possible, mais il faudra le choisir en conséquence. Un capteur classique mesure de 0 à 100%, mais avec une incertitude de 2 à 3%, donc ça ne sera pas adapté ici (la condensation se forme à -40°C pour une HR d'environ 1% voire moins à t° ambiante).

Un capteur IR ne conviendra pas non plus, du moins pas directement, il faudra mesurer l'humidité d'un tamis moléculaire ou d'un sel très hygroscopique (Li2CO3 par exemple). On peut aussi déposer ce sel sur un gel, le tout sur un quartz et mesurer la fréquence de résonance. On peut également effectuer une mesure optique avec un élément froid (on détecte le début de condensation). Sinon on peut utiliser un capteur Dunmore, qui est spécifiquement pour ça.

[jeanbon22]

Le caisson est sous pression à 1200 mbars. En cas de fuite, il faudra un équilibre des pressions avant que l'air ambiant puisse y pénétrer. Ensuite ce sera une fuite très fine par échange argon, air ambiant. Les différences de densités des gaz vont entrer en jeu, et la position de la fuite aussi. Fuite légère et sans flux, si ce n'est pas une injection, le caisson étant hermétique. La position de l'élément dans le caisson, et la façon dont se produisent les échanges thermodynamiques à l'intérieur seront important pour mesurer l'humidité relative, qui ne pourra pas être la même suivant où elle entre, et jusqu'où elle peut aller et comment, dans ces conditions. En dessous de zéro, et la densité de la vapeur d'eau, comparé densité de l'argon, azote, oxygène, va faire qu'elle va couler au fond, si elle peut rester à l'état de gaz dans de telle condition.

[jeanbon22]

J'oublié. Bonjour.

[RomVi]

La vapeur d'eau est plus légère, donc elle ne va pas "couler" au fond, et de toute façon dans un récipient fermé des gaz de densités différentes se mélangent tout de même assez vite.

[jeanbon22]

Merci. Oui, je suis bête, elle est effectivement plus légère. Encore merci, je vais étudier pourquoi je me suis trompé à ce point.

[Pej07]

@ Romvi : Merci pour les détails concernant les capteurs. Peux-tu m'en dire plus sur les mesure optique de condensation et sur les capteur Dunmore ? j'ai du mal a trouver de la doc sur internet.

D'autre part, je voudrais vous soumettre mon raisonnement :

Je fais comme hypothèse que mon système à T0 est a temperature ambiant (20°c), que la pression dans la cellule est de 1200 mbar, et que mon gaz d'inertage (Ar) ne comporte que 5ppm d'H2O.
D'apres la loi des gaz parfait à même temperature je peux dire que la fraction molaire et identique au rapport de pression partiel sur pression total soit :
n(h20)/ntot = p(h20)/ptot
d'où p(h20)=n(h20)*ptot/ntot

De plus Hr=p(h20)/ps(h20)*100
avec ps : pression de vapeur saturante qui est fonction de la température.
J'obtient un taux Hr (20°c) = 0.3%

Si je considère que à T1 j'ai refroidi mon enceinte à -40°c, vu que ps est fonction de T, j'ai :

Hr (-40°c) = 33%

Or d'après mes calculs avec de point de givrage mon point de givrage est atteint à -40°c lorsque le Hr est de 70%.

Ce qui signifie que sans fuite, theoriquement avec mon mélange initial, je ne devrais pas voir de givre apparaitre.

Cela vous parait il cohérent ?

[Sethy]

Là où il faudra vraiment faire preuve d'attention, c'est lorsqu'il sera question de purger l'air de cet appareil.

Car avoir de l'argon avec 5ppm d'eau, c'est bien, mais s'il reste ne fut-ce que 0,1% de l'air initial ça fait 13 ppm ... si je calcule bien en considérant l'air à 50% d'humidité relative :

pvap (20°C) H2O = 20mmHg > fraction molaire = 20/760.
Mais j'ai considéré de l'air à 50% > fraction molaire = 10/760
Je laisse seulement 0,1%, soit 1000x mois > fraction molaire = 0,01/760 = 1,3.10-5 = 13 ppm.

[mach3]

Suggestion : il serait peut-être souhaitable que l'appareil contienne un dessicant, type tamis moléculaire, P₂O₅, silica-gel (à choisir en fonction du point auquel ça peut dessécher efficacement). D'ailleurs, l'élément à -40°C jouera le rôle de dessicant (et c'est la le problème...), une idée pourrait être d'ajouter un autre point froid, encore plus froid, qui piégera l'humidité sous forme de givre à la place de l'élément à -40°C.

m@ch3

[Pej07]

En réalité le système contient du dessicant, mais le but du banc de test est qualifier les conditions d'apparition de givre le système sans dessicant et dans un second temps avec.

Cela nous permettrai de maîtriser ce qu'il se passe exactement dans l'enceinte.

[RomVi]

@ Romvi : Merci pour les détails concernant les capteurs. Peux-tu m'en dire plus sur les mesure optique de condensation et sur les capteur Dunmore ? j'ai du mal a trouver de la doc sur internet.

Le capteur optique est constitué d'un miroir et d'un module peltier. Une sonde de température mesure la surface du miroir tandis que qu'une led éclaire la surface et qu'un capteur reçoit le reflet. La température du miroir est diminuée progressivement, jusqu'à capter une diminution de la lumière reflétée.
Pour le capteur Dunmore : https://nrc-publications.canada.ca/e...c-36a954ff35ea

D'autre part, je voudrais vous soumettre mon raisonnement :

Je fais comme hypothèse que mon système à T0 est a temperature ambiant (20°c), que la pression dans la cellule est de 1200 mbar, et que mon gaz d'inertage (Ar) ne comporte que 5ppm d'H2O.
D'apres la loi des gaz parfait à même temperature je peux dire que la fraction molaire et identique au rapport de pression partiel sur pression total soit :
n(h20)/ntot = p(h20)/ptot
d'où p(h20)=n(h20)*ptot/ntot

De plus Hr=p(h20)/ps(h20)*100
avec ps : pression de vapeur saturante qui est fonction de la température.
J'obtient un taux Hr (20°c) = 0.3%

Si je considère que à T1 j'ai refroidi mon enceinte à -40°c, vu que ps est fonction de T, j'ai :

Hr (-40°c) = 33%

Or d'après mes calculs avec de point de givrage mon point de givrage est atteint à -40°c lorsque le Hr est de 70%.

Ce qui signifie que sans fuite, theoriquement avec mon mélange initial, je ne devrais pas voir de givre apparaitre.

Cela vous parait il cohérent ?

Je n'ai pas compris grand chose... Une température de givre de -40°C correspond environ à une pression partielle d'eau d'environ 10 Pa, donc avec 5 ppm tu es 2 fois en dessous, ça ne va pas givrer.
Il est effectivement possible d'utiliser un agent desséchant, mais il faut bien le choisir : Certains ont évoquée la silice, mais ce n'est absolument pas adapté. Il va falloir utiliser un tamis particulier, et surtout le sécher à haute température vu qu'il doit s'équilibrer une pression partielle de 10 Pa d'eau (donc il faut qu'il puisse résister au traitement thermique). L'idéal serait plutôt d'utiliser un piège cryo, avec de l'azote liquide ou de la neige carbonique + acétone.

[jeanbon22]

Bonjour,

Un piège au sodium, un tamis de sodium. Ca ne pourrait pas faire l'affaire pour éliminer h2o?

[Pej07]

Merci pour toutes les infos.


Je ne suis pas encore bien penché sur le fonctionnement du desséchant. Je pensais qu'il agissais en absorbant jusqu’à saturation peu importe les conditions externes.

Si je comprend bien ce que tu expose (séchage à haute température pour atteindre l’équilibre à 10Pa), j'en déduis que la descente à -40°C a un impact sur le fonctionnement du desséchant.
Si on effectue pas ce séchage, est ce que le desséchant deviendrais simplement inactif ou relarguerai t'il de l'eau dans le système ?

D'autre part, est-ce juste de considérer que si le desséchant n'est pas suffisamment efficace, la zone à -40°C récupère son contenu en agissant comme piège à froid ?


Tout ça est encore très flou pour moi, il est possible que je dise de grosse conneries

[RomVi]

Bonjour,

Un piège au sodium, un tamis de sodium. Ca ne pourrait pas faire l'affaire pour éliminer h2o?

Oui ça marcherait très bien, mais ce serait un peu dangereux.

Si je comprend bien ce que tu expose (séchage à haute température pour atteindre l’équilibre à 10Pa), j'en déduis que la descente à -40°C a un impact sur le fonctionnement du desséchant.
Si on effectue pas ce séchage, est ce que le desséchant deviendrais simplement inactif ou relarguerai t'il de l'eau dans le système ?

Tu peux consulter ce lien, figure 2 : https://www.sorbentsystems.com/desiccants_charts.html
Un desséchant s'équilibre avec l'humidité de l'air à un certain pourcentage d'eau. Par exemple dans une atmosphère à 30% d'HR la silice va capturer de l'eau jusqu'à atteindre 15% (15g d'eau +85g de silice sèche). Si l'HR descend la silice libère de l'eau (en réalité avec un petit retard, car l'équilibre n'est pas tout a fait le même à l'absorption et à la désorption).

Le soucis est que pour être efficace à une HR très faible (de l'ordre de 1% dans ton cas) il faut chasser suffisamment d'eau de l'adsorbant, donc le monter assez haut en température.

[Pej07]

Je te remercie pour ces précisions.

Est ce une erreur de ma part de penser que l'humidité relative augmente si la température dans la cellule descend, et que par conséquent, le desséchant sera plus efficace à basse température ?

[phys4]

Est ce une erreur de ma part de penser que l'humidité relative augmente si la température dans la cellule descend, et que par conséquent, le desséchant sera plus efficace à basse température ?

Oui, c'est correct, pour le sodium, la température aura peu d'importance.

[RomVi]

Je te remercie pour ces précisions.

Est ce une erreur de ma part de penser que l'humidité relative augmente si la température dans la cellule descend, et que par conséquent, le desséchant sera plus efficace à basse température ?

En effet, dans une enceinte confinée avec une pression partielle en eau donnée on a une température de rosée fixée. Si on diminue la température la pression de vapeur saturante de l'eau diminue. L'HR étant le rapport de la pression partielle de l'eau sur sa PV sat on a donc une valeur qui augmente. Quand la pp atteint la PV sat l'eau commence à se liquéfier.

[Pej07]

J'ai identifié un capteur d'humidité relativement économique qui d'après la datasheet, devrait faire l'affaire pour mon application.

C'est un capteur capacitif dont les plages de mesures semble en adéquation avec la plage de mon banc de test : http://www.farnell.com/datasheets/16...xoCh4AQAvD_BwE

Le capteur semble bien aller jusqu'a -40°C et capable de me fournir des valeur HR très basse (jusqu'à 0).
Or je ne peux pas m'empecher de penser que si l'eau est très très rare dans mon système (5ppm théorique, mais qui risque en réalité d'être plus élevé), le capteur, de part sa techno qui est censé capter les molécule d'eau, ne sera pas capable de me fournir de résultat.

Qu'en pensez vous ?

[phys4]

Le capteur semble bien aller jusqu'a -40°C et capable de me fournir des valeur HR très basse (jusqu'à 0).
Or je ne peux pas m'empecher de penser que si l'eau est très très rare dans mon système (5ppm théorique, mais qui risque en réalité d'être plus élevé), le capteur, de part sa techno qui est censé capter les molécule d'eau, ne sera pas capable de me fournir de résultat.

Vous avez raison d'avoir des doutes : il suffit de lire les caractéristiques détaillées.
La courbe de précision en humidité est donnée à 23°C, le tableau indique des valeurs garanties entre 0°C et 50°C, enfin la gamme de fonctionnement normal est spécifiée entre -20°C et 100°C, donc en dessous de -20°C, les mesures deviennent seulement indicatives.