Condensation dans le coffret : point de rosée, réchauffeurs et drains

Pourquoi un coffret étanche se mouille-t-il à l'intérieur ?

L'air contient de la vapeur d'eau, et sa capacité de rétention diminue à mesure qu'il se refroidit. Si l'air humide est suffisamment refroidi, il atteint son point de rosée ; en dessous de ce point, l'eau se condense sous forme de gouttelettes sur les surfaces les plus froides. Dans un coffret, il s'agit des parois et de la porte, et l'eau s'égoutte ensuite sur tout ce qui se trouve en dessous.

Un coffret à joint empêche la pluie et l'eau au jet d'entrer, mais il retient aussi l'humidité présente dans l'air au moment de la fermeture de la porte, ainsi que tout ce qui pénètre par la suite. Les normes le précisent clairement. Le champ d'application de la NEMA 250 exclut la protection de l'équipement enfermé contre des conditions telles que la condensation qui se produit à l'intérieur du coffret. L'IEC 60529 exclut l'humidité produite par la condensation, et ses essais d'étanchéité à l'eau précisent que la rosée se formant à l'intérieur pendant l'essai ne doit pas être confondue avec une infiltration d'eau. Un indice NEMA 4X ou IP66 n'est donc pas une promesse d'intérieur sec.

Point de rosée : le chiffre qui compte

Le Service météorologique national des États-Unis publie les formules derrière son calculateur météorologique. La pression de vapeur saturante est es = 6.11 × 10^(7.5T / (237.3 + T)) hPa, T en °C ; la multiplier par l'humidité relative donne la pression de vapeur réelle, et résoudre la même équation à l'envers donne le point de rosée. Valeurs issues de ces formules, au niveau de la mer :

Voici comment l'interpréter : si un coffret est fermé par une après-midi humide à 30 °C avec une humidité relative de 80 %, toute surface intérieure dont la température descend sous environ 26 °C accumulera de l'eau. Une nuit claire à l'extérieur, un rinçage à l'eau froide ou une pièce climatisée provoqueront cela facilement. Dans les conditions de la dernière ligne, presque toute surface plus froide condensera.

Respiration : les cycles de température pompent l'air humide à l'intérieur

L'air emprisonné dans un coffret contient peu d'eau. En utilisant la formule du rapport de mélange du NWS, l'air à 30 °C et 80% contient environ 21.6 g d'eau par kg d'air sec ; l'air saturé à 20 °C en contient environ 14.7 g/kg. Pour le volume intérieur d'un coffret de 24 × 20 × 8 po (0.607 × 0.505 × 0.200 m = 0.061 m³) à une densité de l'air de 1.2 kg/m³, le refroidissement du premier état au second libère 0.061 × 1.2 × 6.9 = environ 0.5 g d'eau. Cela représente quelques gouttes.

Le problème est la répétition. La norme IEC 60529 reconnaît les coffrets dans lesquels « le cycle de fonctionnement normal de l'équipement provoque des réductions de la pression d'air à l'intérieur du coffret, inférieures à celle de l'air ambiant, par exemple en raison d'effets de cyclage thermique », et ses essais d'étanchéité à l'eau exigent un équilibrage des pressions si l'eau est plus froide de plus de 5 K que le coffret. Le refroidissement de 30 °C à 20 °C contracte l'air emprisonné d'environ 3.3 % (293 K / 303 K), de sorte que chaque cycle peut aspirer de l'air extérieur à travers un joint usé, un presse-étoupe desserré ou un conduit. Un fabricant de dispositifs de drainage décrit ces vides induits par la température comme aspirant l'eau et l'humidité à l'intérieur du coffret. Chaque apport d'air humide laisse son eau derrière elle, et au fil des semaines, les gouttes deviennent une flaque.

Le conduit aggrave les choses : le champ d'application de NEMA 250 exclut également les conditions qui pénètrent par le conduit ou les ouvertures non étanches, et une section de conduit provenant d'un espace plus chaud ou plus humide transporte l'air humide directement à l'intérieur. Étanchéifiez les entrées de conduit et utilisez des presse-étoupes adaptés au classement du coffret ; voir découpes et presse-étoupes.

Réchauffeurs : maintiennent les parois au-dessus du point de rosée

La solution la plus directe consiste à maintenir les surfaces intérieures à une température supérieure au point de rosée de l'air à l'intérieur. Un chauffage de coffret fait cela, et le guide de chauffage d'un fabricant de coffrets cite un cas moins évident justifiant l'utilisation d'un tel appareil : un système peut fonctionner toute la journée, puis refroidir rapidement à l'arrêt nocturne, et cette chute de température peut provoquer condensation et corrosion.

Deux méthodes de dimensionnement publiées utilisent la même relation que la dissipation thermique :

Puissance du réchauffeur = ΔT x k x A - chaleur des composants
ΔT = l'écart par rapport à la température ambiante souhaité pour le coffret (K) ; k = coefficient de transfert thermique (environ 3.7 W/m²K pour l'acier inoxydable, 5.5 W/m²K pour l'acier peint) ; A = surface (m²). Pour un coffret en extérieur dans un flux d'air, les deux méthodes doublent le terme ΔT x k x A.

Exemple pratique. Le même coffret en acier inoxydable de 24 × 20 × 8 po fixé au mur expose 0.764 m² de surface plane (face avant, dessus, dessous et côtés), soit la surface utilisée par ces méthodes de chauffage ; les 0.801 m² indiqués sur nos pages produits correspondent à la surface effective IEC/TR 60890 pour la dissipation thermique. Pour cet exemple, nous choisissons de le maintenir à 5 K au-dessus de la température ambiante, et nous supposons que l'équipement à l'intérieur est éteint la nuit, il ne génère donc aucune chaleur :

• À l'intérieur : 5 × 3.7 × 0.764 = 14.1 W.
• À l'extérieur, doublé : 2 × 14.1 = 28.3 W.
• Le maintien à 10 K au-dessus de la température ambiante à l'extérieur nécessiterait 2 × 10 × 3.7 × 0.764 = 56.5 W.

Lorsque l'équipement fonctionne, soustrayez sa chaleur. Choisissez un chauffage d'une puissance supérieure au résultat, et contrôlez-le avec un thermostat afin qu'il n'ajoute pas de chaleur par temps chaud ; le guide de calcul thermique montre à quelle vitesse un coffret étanche surchauffe.

Où le monter : bas. Une étude de flux d'air d'un catalogue de contrôle climatique a révélé que les zones situées sous un réchauffeur ne sont que très peu chauffées et a conclu qu'il est essentiel de monter le réchauffeur dans la zone de la base du coffret pour une température uniforme. Gardez-le à l'écart des câbles et de tout élément sensible à la chaleur.

Drains et évents classés selon le type de coffret

Un drain de ventilation monté dans le fond du coffret laisse l'eau condensée s'écouler par gravité et égalise la pression, ce qui réduit le vide qui aspire l'air humide à l'intérieur. Des drains de ventilation homologués existent avec des indices Type 4 et 4X, déclarés pour maintenir l'indice lorsqu'ils sont correctement installés sur un coffret homologué Type 4 ou 4X. Sur un coffret d'indice déclaré par le fabricant tel que le nôtre, l'indice avec un drain installé est l'évaluation propre du fabricant.

• Placez-le au point le plus bas, là où l'eau s'accumule.
• Vérifiez le classement propre de la vidange. La règle de NEMA veut que le classement de type d'un ensemble installé sur site soit limité par le composant le moins bien classé, et que les raccords soient testés à un classement de type égal ou supérieur à celui du coffret.
• Un trou ouvert n'est pas un drain sur un coffret 4X : il laisse entrer l'eau du jet d'eau, et le coffret ne répond plus au type 4X.

L'eau qui pénètre doit pouvoir s'évacuer, mais un dispositif de drainage n'élimine pas la source d'humidité. Combinez-le avec de bons joints, des entrées étanches et, si nécessaire, un chauffage.

Déshydratant pour coffrets maintenus fermés

Le déshydratant absorbe la vapeur d'eau jusqu'à saturation, il convient donc aux coffrets rarement ouverts. Sa capacité s'épuise rapidement à l'air libre. Une note d'application d'un fabricant d'instruments cite des tests du fabricant de déshydratant à 60 % d'humidité relative et 30 °C au cours desquels environ 25 % de la capacité d'un sachet ont été consommés après une heure d'exposition, et recommande aux utilisateurs d'installer un nouveau déshydratant chaque fois que le boîtier est ouvert et l'électronique exposée. Il en va de même pour un coffret : gardez les sachets de rechange scellés, remplacez-les chaque fois que la porte est restée ouverte longtemps, et n'attendez pas du déshydratant qu'il compense un coffret qui respire par une fuite.

Climatiseurs et lavage à haute pression : deux cas particuliers

Les climatiseurs pour coffrets éliminent l'eau de l'air intérieur par effet secondaire : elle se condense sur l'évaporateur froid et doit être évacuée du coffret. Un catalogue de contrôle climatique présente un exemple : porte fermée, la déshumidification d'un coffret de 0.6 m³ libère 0.6 × 1.2 × 11 = 7.92 g, soit environ 8 ml. Si les entrées sont mal scellées ou si les joints sont endommagés, l'air ne cesse d'être renouvelé, et pour un taux de fuite de 5 m³/h, jusqu'à 80 ml de condensat peuvent se former chaque heure. Ses recommandations : ne faire fonctionner les unités de refroidissement qu'avec la porte fermée, étanchéifier le coffret sur toutes les faces, installer un interrupteur de porte, régler la température intérieure uniquement au niveau nécessaire et ne pas diriger l'air froid directement sur les composants électroniques. Si un coffret climatisé reste humide, pourquoi le refroidissement du coffret provoque de la condensation permet de remonter à la source de l'eau : le circuit d'évacuation du refroidisseur, les joints et entrées non étanches, ou une surface se trouvant sous le point de rosée.

Lavage à haute pression crée les deux conditions simultanément. Un coffret chaud frappé par de l'eau de rinçage froide refroidit rapidement et aspire de l'air proche de la saturation. Dans la mesure du possible, rincez avec de l'eau proche de la température du coffret, maintenez les joints et les presse-étoupes en bon état et installez un évent de vidange classé par le fabricant. Voir les coffrets de lavage à haute pression pour l'alimentation et les boissons et, pour les sites extérieurs, les coffrets électriques extérieurs.

Foire aux questions

Sources

1. US National Weather Service (El Paso), fiche de formules « Pression de vapeur »
2. US National Weather Service (El Paso), « Température du bulbe humide et température de rosée à partir de la température de l'air et de l'humidité relative » (formule du point de rosée)
3. US National Weather Service (El Paso), fiche de formules « Rapport de mélange »
4. ANSI/NEMA 250-2020, contenu et champ d'application (condensation à l'intérieur du coffret, conduits et ouvertures non étanches non couverts)
5. IEC 60529 Éd. 2.2 (portée ; coffrets de catégorie 1 et cyclage thermique ; température de l'eau à 5 K et équilibre de pression ; rosée pendant les essais)
6. NEMA, « NEMA FAQ : Coffrets » (Q15, raccords et règle du maillon faible)
7. Hammond Manufacturing, sélection de produits de chauffage (condensation nocturne, formule de calcul du réchauffeur, facteur extérieur)
8. Rittal, Catalogue technique du système de régulation climatique, réchauffeurs de coffret (formule de puissance, emplacement extérieur, réchauffeur dans la zone de la base)
9. Rittal, unités de refroidissement (calcul des condensats, exemple de fuite, porte fermée, interrupteur de porte)
10. Rittal, sélection d'unités de refroidissement (l'air froid n'est pas dirigé vers les composants, afin d'éviter la condensation)
11. nVent HOFFMAN, fiche produit des drains de ventilation (évacuation par gravité, égalisation de pression, vide induit par la température, Type 4/4X)
12. Sea-Bird Electronics, Note d'application 71, « Utilisation et régénération des déshydratants » (janv. 2014)