Depuis quelque temps maintenant, l’expression «vapeur propre» a attiré l’attention des techniciens qui utilisent de la vapeur pour diverses applications dans l’industrie pharmaceutique. Ces termes sont utilisés pour se référer soit à un fluide caloporteur ou soit à une source capable de fournir une humidité spécifique aux flux d’air sec dans les systèmes CVC des installations pharmaceutiques. Le but de cet article est de rapporter l’importance de la qualité de la vapeur pour les installations CVC, la réglementation actuelle et les systèmes de production qui représentent actuellement les équipements les plus avancés dans le contrôle d’humidité de l’air.

Vapeur de chaudière 

La technologie CVC est souvent dérivée de la technologie appliquée aux processus industriels. L’alimentation de la vapeur d’eau, l’utilisation d’hydrateurs d’air pour atteindre un niveau d’humidité relative contrôlé dans l’environnement occupé par l’homme, a commencé à augmenter en popularité au début des années 1970. Ce contrôle de l’humidité est devenu de plus en plus important en Espagne jusqu’à ce que la réglementation nationale, publiée par le Règlement sur les installations de chauffage dans les bâtiments de 1997, rende obligatoire le contrôle de l’humidité relative dans tous les bâtiments publics. Au cours des premières années de contrôle de l’humidité de l’air, la première configuration de l’hydrateur d’air était celle indiquée sur le schéma 1. Les systèmes pour alimenter la vapeur d’eau à l’air sec ont d’abord été conçus comme un complément aux réseaux centralisés d’eau de chaudière conçus pour le chauffage ou les procédés industriels à l’aide d’hydrateurs qui permettaient de traiter une partie de cette vapeur sous pression afin de pouvoir l’injecter dans les conduits d’air primaires en hiver. Ce type d’équipement est utilisé depuis plus de quarante ans avec une très bonne précision, une grande durabilité et pratiquement aucun entretien.

Ces systèmes dont le modèle fonctionnel est représenté dans le schéma 1 consistent en une soupape réductrice pour déplacer la vapeur de la chaudière à une pression réglable dans les systèmes CVC (de 1 à 15 bars), un petit filtre en forme de Y pour filtrer la vapeur du réseau (1 ), une ou plusieurs lances de vapeur avec une enveloppe chauffante (1) à travers laquelle la vapeur sous pression s’écoule pour éviter la condensation de la vapeur que nous injectons, un séparateur de vapeur (2) qui sépare le liquide de la vapeur sèche (3) par la force centrifugeuse qui produit le filage de la vapeur à l’aide d’un déflecteur, une admission de vapeur au centre du séparateur, une soupape de commande (4) qui module l’injection de vapeur selon la demande et rétablit la pression de la vapeur à une pression presque atmosphérique. Enfin, nous avons la lance à vapeur ou les lances (selon la charge de la vapeur à l’unité CVC et la distance d’absorption souhaitée / calculée) qui injecte la vapeur dans l’air sec par des buses thermoplastiques (5) calibrées pour éviter la condensation et le bruit. La vapeur est séparée du condensat (6) au moyen d’un purgeur.

 

 Vapeur de qualité sanitaire / vapeur proprem

Entre la fin du siècle dernier et le début de celui-ci, un certain nombre d’études sur la santé et l’hygiène ont révélé que les composés organiques volatils qui pénétraient la tuyauterie de fer de la vapeur de chaudière pour l’empêcher de corroder sont nocifs pour la santé humaine. Ces études ont déterminé que les amines utilisées pour protéger les réseaux de tuyauterie avaient un effet toxique sur la santé des utilisateurs qui respiraient l’air humidifié dans leurs lieux de travail et les bâtiments où ce type d’hydrateur était utilisé.

Il y a eu un changement dans la loi depuis que le problème a été découvert. Tous les réseaux de vapeur de chaudières utilisés pour l’humidification de l’air doivent utiliser de la vapeur de qualité sanitaire (règlement espagnol RITE 2007 IT 1.1.4.3.3), c’est-à-dire la vapeur qui provient d’eau de qualité sanitaire qui est clairement réglementée par le décret royal 140 / 2003, qui a adopté la qualité de l’eau pour les critères sanitaires de consommation humaine. Bien sûr, cela exclut les composés toxiques qui protègent les réseaux de la corrosion. Pour éviter toute contamination par la rouille et pour prolonger autant que possible la durée de vie de l’installation, il est possible d’opter entre deux systèmes pour produire et distribuer de la vapeur de qualité sanitaire:

 

1. Un générateur pressurisé à vapeur propre:

La vapeur propre sans composés chimiques est utilisée dans l’industrie pharmaceutique pour éviter tout contact avec cette vapeur ou son condensat causant toute contamination. La production de vapeur propre pressurisée implique l’utilisation de générateurs spécifiques avec tous les composants du réseau de vapeur et de condensat (vannes de coupure, régulation, réducteurs, filtres, purgeurs, etc.) en acier inoxydable de la plus haute qualité. Une vapeur propre de cette qualité, lorsqu’elle est pressurisée, peut facilement provoquer une corrosion du réseau de tuyauterie si elle n’est pas fabriquée avec des matériaux de la plus haute qualité et, en outre, la vapeur peut facilement être contaminée si des matériaux résistants ne sont pas utilisés. Lorsque la vapeur est également utilisée pour l’humidification de l’air, tous les composants de l’hydrateur doivent être fabriqués en acier inoxydable de la plus haute qualité. Ces systèmes sont généralement basés sur un réseau de vapeur de chaudière, puis une chaudière secondaire est ajoutée dans la zone requise qui effectue l’échange avec de l’eau exemptée d’additifs pour produire de la vapeur sous pression propre et la répartir dans les zones requises, l’injecter dans les conduits ou les unités de CVC de la manière décrite ci-dessus pour les hydrateurs utilisant l’injection de vapeur de chaudière, mais en prenant soin que tous les composants soient en acier inoxydable de la plus haute qualité. En fonction de la façon dont nous utilisons de la vapeur (si elle est uniquement destinée à être utilisée dans les installations CVC ou si elle est également utilisée pour des procédés de production, des stérilisations ou d’autres applications dans l’usine pharmaceutique), la vapeur de qualité sanitaire peut tolérer un approvisionnement en eau avec un traitement de déminéralisation supplémentaire par osmose inverse, selon les besoins, afin d’avoir une eau plus ou moins propre. Comme on peut le voir, plus la qualité de l’eau est élevée, plus les coûts de production, de distribution et d’injection sont élevés. Dans le schéma, on peut voir la chaudière secondaire et le réseau de vapeur propre sous pression.

1. Production de vapeur propre et sèche saturée et distribution sans condensats:

Si ce qui est vraiment important, c’est l’air conditionné de l’air dans l’usine pharmaceutique, une autre option qui est de plus en plus adoptée par de nombreux grands laboratoires et hôpitaux, compte tenu des coûts du système précédent, consiste à incorporer des hydrateurs qui échangent de la vapeur de chaudière (qui n’est pas propre, avec des additifs, dans un réseau économique en circuit fermé) avec de l’eau sanitaire ou déminéralisée si nécessaire par l’espace clos ou la précision du système. Ce type d’équipement produit de la vapeur sèche saturée sous un niveau de pression supérieur à celui du conduit, mais très proche de l’atmosphère et elle est ensuite transportée vers les conduits ou les unités de CVC par des systèmes de distribution de vapeur avec une condensation pratiquement nulle. Ces systèmes produisent de la vapeur en chauffant de l’eau et sont capables de gérer tout ce qui concerne le traitement de l’eau dans leur réservoir, en contrôlant l’utilisation de l’eau de chaudière en fonction de la demande d’humidification et en produisant également la vapeur appropriée pour le flux d’air sec pour l’adapter à une bonne dispersion du flux dans le système.

Concevoir une bonne conduction de vapeur à partir de l’hydrateur est essentiel pour s’assurer qu’il n’y a pas de pertes importantes en raison de la condensation. L’emplacement de l’unité doit faire l’objet d’une attention particulière afin que l’itinéraire de conduction soit aussi court que possible. S’il n’est pas possible de le concevoir avec moins de 3 mètres, il est conseillé d’isoler le conduit de vapeur saturée sèche à l’aide de tubes en cuivre ou en acier inoxydable. Quand il est de moins de trois mètres de long, on peut utiliser des tubes en caoutchouc qui sont renforcés pour des températures élevées et résistantes aux flexions.

En plus de conduire la vapeur à l’unité CVC ou au conduit d’air, il est essentiel d’examiner la dispersion de la vapeur propre dans l’air sec. Si cela n’est pas fait, on peut avoir des condensations dans le réseau de conduits d’air. Ces condensations peuvent être des foyers importants de contamination. Les dépôts d’eau dans des endroits où ils ne sont pas destinés à se produire selon la conception sont une source de problèmes de santé indésirables pour les installations de climatisation.D’autre part, en prenant chaque jours de plus en plus d’importance, nous constatons que ces cas de condensation provoquent des pertes d’énergie importantes dans la production de vapeur et dans les stations d’épuration. Produire de la vapeur nécessite 2326 kJ d’énergie par kilogramme de vapeur dont nous avons besoin et traiter l’eau afin qu’elle soit optimal pour l’humidification consomme également beaucoup d’énergie. Si nous ne minimisons pas ces condensations, le coût énergétique de l’installation peut augmenter.

 

Pour étudier la distance de l’absorption de vapeur dans l’air, il faut connaître plusieurs paramètres du système: flux et conditions thermo-hygrométriques de l’air avant que la vapeur ne soit alimentée, la quantité de vapeur fournie et les dimensions de la section de mouillage de l’unité ou du conduit AC. Selon tous ces paramètres et sur le système de dispersion choisi, nous aurons une distance d’absorption qui peut varier de 15 cm à plus de 2 mètres. Il existe différents systèmes de dispersion de vapeur selon les besoins impliqués, comme le montre l’illustration suivante:

Un contrôleur qui intègre des équipements de ce type gère la production de vapeur afin de répondre avec précision à la demande de la pièce ou du processus. Il gère également l’eau stockée dans le réservoir pour la maintenir en parfait état en termes de qualité et de teneur en minéraux dissous. Enfin, il parvient à perfectionner l’absorption de la vapeur dans le flux d’air sec, empêchant ainsi les condensations qui, par ailleurs, entraîneraient de grandes consommations d’énergie et des problèmes sanitaires en raison de la production de vapeur propre dans le système précédent.

 

Conclusions:

La production de vapeur est de plus en plus demandée dans une multitude d’industries pharmaceutiques pour différentes applications. En cas de besoin de vapeur pour les procédés de production (en contact avec le produit) dont l’eau nécessite une qualité extraordinairement élevée, il est possible que les systèmes de production et de transport de vapeur fabriqués avec des matériaux de la plus haute qualité et à prix élevés soient nécessaires.

 

Pour le cas de procédés où la vapeur est utilisée à des fins de CVC et en tant que fluide caloporteur pour d’autres procédés, il a été démontré par la pratique déjà mis en œuvre dans l’industrie que la solution globale peut appeler à remplacer la vapeur de chaudière par de l’eau de qualité sanitaire.

 

Bibliographie:

• HARRIMAN, Lew; BRUNDRETT, Geoff; KITTLER, Reinhold: “Humidity control design guide”. Atlanta, EEUU. 2006. Editorial ASHRAE.
• LATHAM, Tim: “Clean steam in the pharmaceutical industry”. PDH Course K109. PDH Online center. EEUU. 2004
• RITE y normas UNE de aplicación. Barcelona. Editorial CEYSA
• Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios.
• MORTON, B. W: “Humidification Handbook”. 1998. Ed. DriSteem.

In our long experience in the field of HVAC (heating, ventilation and air-conditioning), we have found that controlling humidity has been until now one of the aspects of air conditioning that has been somewhat neglected. In our everyday experience we find many units switched off or out of order because either they cause the owner or maintenance technician a lot of problems or because due to their location in the installation they undergo significant deterioration in very short period of time. Our impression is that this component of the HVAC installation is often regarded as superfluous because, in general, there is little awareness of the negative effects of an environment with a very high or very low range of humidity, frequented by people. This article sets out to convince those responsible for the design, installation and maintenance of these installations of the importance for both people and buildings of keeping air vapour content under control. In this way we can swiftly relate this lack of control of humidity to a number of problems in buildings that we often encounter, namely:

1.- Comfort

Our perspiration evaporates to regulate our body temperature and dissipate internal heat. The low relative humidity typical of many interior environments in winter leads to an average temperature of 21-23ºC, perspiration evaporates and we feel colder than we really should at that temperature.

Conversely, in summer we find rooms that keep the air above the recommended maximum level of humidity for comfort, 50-70% R.H. (relative humidity) due to a lack or fault of humidity control and the body is unable to evaporate the perspiration we generate to dissipate our body heat.

In a study[1] conducted at comfort temperatures of 21.1 and 27ºC and with dew points between 2.2 and 20ºC, of 20 people engaging in sedentary activities and dressed in light clothing, it was shown that the psychological response to thermal comfort (not acting to adjust it by, for example, opening the window, removing clothing, etc.) 90% of the individuals felt better when the R.H. was in the region of 50%. This is reflected in figure 1, where the TAC (Thermal Acceptance for Comfort) is supported, at comfort temperatures, by the largest number of individuals for a R.H. of around 50%.

[1] Berglund, L. G. y W. S. Cain. 1989. “Perceived air quality and the thermal environment.” The Human Equation: Health and Comfort. Proceedings of ASHRAE/SOEH Conference IAQ ’89 Atlanta: ASHRAE, pp. 93-99.

2.- Health

Dryness of the skin directly affects several metabolic functions, including oxygen intake, the shedding of water vapour, salts, heat, etc. Excessive evaporation of this water vapour means that its replacement via capillary diffusion is insufficient and problems arise related to the dryness of the skin, whose effects we have only recently become aware of.

It is also useful to know that several studies have shown that at very low or very high levels of humidity, micro-organisms find environments that are more favourable for their survival. This happens for three reasons:

• At high humidity, moulds thrive and to survive they emit spores (the typical « damp smell ») to prevent others from growing. These spores undermine the operation of our immune system.
• As humidity increases, the amount of dust present in the atmosphere diminishes, both in terms of its production and its maintenance in suspension, as the humidity encourages deposition due to gravity. The amount of dust present in an environment impacts directly on our health, as the micro-organisms travel by adhering to these solid particles.
• Finally, at low humidity, the mucous membranes that prevent harmful bodies from getting inside our body do not perform their protective role.

This interaction of the human body is revealed in several studies which have shown that there is a relationship between the humidity level in an enclosed space and the proliferation of mites[1]. The droppings of these mites and insects are a rich source of food for moulds that thrive among persons with respiratory illnesses, such as rhinitis or asthma. The same studies have revealed that children and adolescents are more prone to these illnesses.

Around 50% of an insect’s body is composed of water. If it loses this water, the insect is less active and has a lower reproduction rate. Moderate temperatures with high humidity are the ideal medium for it to grow.

By reducing the humidity in buildings, we can limit the proliferation of mites and insects.

In figure 2, we can see how, as the height of the home above sea level increases, the number of asthma patients suffering from positive reactions to dust in the home decreases. For the same air condition, the air humidity decreases as the height above sea level increases.

3.- Static electricity and IT equipment failure

Air with a relative humidity of under 45% permits electro-static charges to accumulate in many types of IT equipment and even in people. Static electricity originates in our environment continuously due to the friction of materials with high electrical resistance against one another. A typical example is when people walk on carpet. This electricity is only a problem when the ambient conditions allow it to accumulate, which not only causes unpleasant effects such as when a person receives a discharge, but also when there is an explosive or inflammable atmosphere, with the risk that this represents.

In addition, these phenomena are very important in computer rooms and data processing centres, where they can cause problems such as electronic faults in circuits, dust accumulations on reader heads and even breakage of stored magnetic media.

Increasing R.H. does not prevent the forming of these charges, but it does prevent their accumulation.  Suitable increases in R.H. produces a fine layer of humidity on the surfaces of the materials that allows the charges to travel to earth before they reach high levels of potential.

Figure 3 shows the measurement of electro-static discharges produced in a workplace with carpeting according to the relative humidity of the environment.

4.- Enhanced efficiency

Many times we find that the consumption of the terminal units in temperature control rooms, such as a split, is very high. This is generally accompanied by a significant evacuation of condensates.

If a more exhaustive analysis is conducted of this situation, it may be concluded that the energy consumption is used not only to cool the air, but also to dehumidify it.

The dehumidifying, in this particular case, is an energy loss, or to put it another way, a financial loss, which can be avoided if the humidity in the primary air feed is regulated. This can be done, for example, with an enthalpic recuperator that reduces the humidity load. Approximately 80% of latent heat loads come from outside air.

In this way, the heating units will be used specifically for sensitive control, reducing their energy consumption.

A sustainable focus on machines used for buildings is very important as according to date from the European Union ( Directive 2002/91/EC) we consume 40% of the energy we produce in them. HVAC machines and their auxiliary elements have to become increasingly compatible with renewable energy sources and the maximum efficiency of energy use.

5.- Deterioration of materials in buildings

Corrosion

A host of metal elements are to be found in buildings and these will be more or less important depending on what they are used for. This use can vary from a structural element to an ornamental function. Examples of typical failures in materials caused by this kind of degrading are the loss of mechanical properties, warping, pitting, joint failures, etc. This entails the replacement of the element in questions and the cost that this represents.

A metal corrodes when an electrical current flows from an area with more potential to one with less. This phenomenon is accelerated when there is an electrolyte present, such as a fine film of water.

This film of water is formed, in broad terms, due to the condensation of the relative humidity present in the air around a metal surface. This is either through the impact of the air particles on the metal or because there is a thermal bridge because this surface is at a temperature that is lower than the ambient temperature. In both cases, the condensate increases as the air’s R.H. increases.

According to studies by J.C. Hudson[1], there is a critical R.H. for each metal from which the rate of corrosion increases exponentially.

Humidity in partition walls and ceilings

In humid climates, it may happen that negative pressure is generated due to air extractions. This would lead to air filtering into the building, collecting in cavities between partition walls and ceilings. If there is an area where the temperature is lower than that of the infiltrated air such as behind a curtain or a sofa, this may cause saturation and even condensation. This would provide sufficient humidity for the growth of mould, showing up as what are popularly known as « rising damp ».

Humidity in bookshops

Something similar occurs in bookshops. However, here there is a further problem: they retain humidity. Thus, it is not just a question of a type of humid or damp climate, but of humid/damp months throughout the year. Every time the relative humidity rises by approximately 50%, the books will absorb humidity without releasing it. This becomes more serious still in book depositories and warehouses.

For this, a possible solution is to install a dehumidifier that maintains the R.H. below that figure at all times, regardless of the temperature.

6.- Conclusion

As we have already mentioned in the preceding paragraphs, humidity control is important not only from the point of view of material conservation but also in terms of human health.

By material conservation we mean preserving the properties and characteristics of the elements that form part of the building, on a permanent or temporary basis. The issue that is most worrying in this regard is corrosion. For this reason, rigorous control of relative humidity can help to prevent losses of materials, with the resulting financial loss.

More important still are the aspects related to human health, such as the proliferation of fungi, insects, viruses, and bacteria. We have already commented briefly on how the ambient conditions can affect their development, one of the chief factors being relative humidity. The consequence of ignoring such factors can lead to respiratory illnesses, which in principle are avoidable, such as allergies, asthma or rhinitis.

In the following figure, and in summary form, one can see the intervals of relative humidity in which the various organisms studied co-habit.

To sum up then, the limits set by the RITE in terms of relative humidity are neither capricious nor arbitrary – they seek to prevent the problems we have described.

Other added benefits stem from humidity control, such as an energy saving in the air conditioning of rooms, preventing the accumulation of static charges that can be generated by the friction of materials, and contributing to higher performance of IT equipment.

Fortunately, the trend in recent years has been to return to prevailing concept of the importance of controlling R.H. and so this is increasingly viewed as being of equal importance to controlling temperature.

8.- Bibliography

• ”Humidity control design guide for commercial and institutional buildings”. Harriman, L., Brundrett, G., Kittler, R., Ed. ASHRAE, 2006.
• “Montajes e Instalaciones. La importancia de la humedad relativa en la calidad ambiental”. Rodriguez Ramos, P. Ed. Separata, Septiembre 1992.
• “Humidification Handbook”. Morton, B. W. Ed. DriSteem, 1998.
• Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios. RITE 2007.
• Real Decreto 1826/2009 de 27 de noviembre, por el que se modifica el Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios.