COMPRENDRE L’ENCRASSEMENT : SES EFFETS SUR LE TRANSFERT DE CHALEUR

Au nombre des autres facteurs qui doivent être surveillés pendant la production, que ce soit dans l’industrie alimentaire et des boissons, dans le secteur pharmaceutique ou dans l’environnement industriel, citons l’encrassement. Il est important de comprendre de quoi il s’agit, comment il influe sur le transfert de chaleur dans différentes applications, comment le traiter et comment l’éviter.

Une meilleure compréhension de l’encrassement assurera que l’équipement utilisé dure plus longtemps, que les matériaux ne sont pas affectés et que les coûts additionnels sont réduits au minimum.

Qu’est-ce que l’encrassement ?

L’encrassement se produit lorsque des matières indésirables s’accumulent sur une surface de transfert de chaleur. Par exemple, un tuyau utilisé pour le transport de l’eau. En cas d’accumulation à l’intérieur du tuyau, le débit d’eau diminue et l’eau peut même devenir contaminée. On peut en dire autant des méthodes de transfert de chaleur en cas d’encrassement. Les substances, comme la rouille ou les minéraux, s’accumulent sur les surfaces de l’échangeur de chaleur, réduisent le rendement et affectent le produit et l’échangeur de chaleur lui-même.

Les dépôts d’encrassement peuvent être solides, liquides ou gazeux. Ils peuvent provenir du liquide traité, de l’environnement ou des matériaux qui constituent l’échangeur de chaleur. Il peut s’agir, par exemple, de tartre, de solides en suspension, de sels insolubles ou d’algues.

Facteur d’encrassement

Le facteur d’encrassement est le terme utilisé pour décrire la résistance au flux de chaleur en raison de l’accumulation à la surface de l’échangeur de chaleur. L’estimation du facteur d’encrassement d’un échangeur de chaleur détermine la fréquence à laquelle il faut le nettoyer. 

Une estimation incorrecte pourrait entraîner un nettoyage peu fréquent, ce qui favoriserait l’encrassement. Les liquides, comme le fioul et l’eau de mer, ont des facteurs d’encrassement standard qui sont faciles à appliquer. Toutefois, il ne faut pas attribuer un facteur d’encrassement aux substances nécessitant plus d’entretien, comme les boues, sans d’abord analyser comment elles fonctionnent dans le système.

Quatre types d’encrassement

1. Encrassement par entartrage

Cela se produit quand les particules du fluide de l’échangeur de chaleur se fixent aux surfaces et commencent à former une couche d’encrassement. Le calcium, le magnésium et les sels dissous dans l’eau chaude qui se cristallisent sur les surfaces sont les principales causes de cet encrassement.

L’entartrage de l’intérieur d’un échangeur de chaleur peut entraîner de la corrosion, une réduction de la durée de vie de l’équipement, une augmentation de la consommation d’énergie et une diminution du rendement. L’entartrage peut être évité en installant un réchauffeur à circulation qui permet de réduire la température de l’équipement et de répartir correctement la chaleur. Le rinçage à l’eau chaude deux fois par an permet d’éliminer les particules si l’entartrage est préoccupant.

2. Encrassement organique

Ce type d’encrassement est en relation avec la croissance organique, comme les bactéries, les algues et les champignons. Il est plus fréquent dans les applications chimiques, marines et organiques où ces excroissances peuvent prospérer, mais il est particulièrement important de gérer l’encrassement organique. Sinon, les industries alimentaires et pharmaceutiques pourraient être gravement touchées.

La croissance organique peut causer beaucoup de dégâts et de corrosion, et aussi affecter l’efficacité du transfert de chaleur et la durée de vie. Le choix de différents matériaux lors de la réalisation d’un échangeur de chaleur permet d’éviter la croissance organique. Il est aussi préférable de nettoyer les systèmes de transfert de chaleur à intervalles réguliers.

3. Encrassement par sédimentation

La présence de sédiments (rouille, saleté, sable, etc.) dans un système de transfert de chaleur cause l’encrassement. Il est peu probable qu’une petite quantité de sédimentation cause des problèmes, mais lorsqu’elle s’accumule, elle a les mêmes effets sur la production que les autres types d’encrassement.

Les tubes de transfert de chaleur s’érodent si la sédimentation augmente. Enfin, la surface de transfert de chaleur commence à couler à mesure que les tubes s’usent. Pour éviter cela, il faut utiliser un réchauffeur à circulation pour contrôler correctement la chaleur.

4. Encrassement par cokefaction

La cokéfaction a lieu lorsque la température du pétrole est trop élevée par rapport à ses limites de stabilité, ce qui entraîne une accumulation en surface. Une petite accumulation augmente rapidement jusqu’à ce que les surfaces craquent et se soulèvent, causant encore plus de cokéfaction et de graves dommages au système.

Dans ce cas, il est essentiel de choisir les matériaux appropriés pour prévenir la corrosion et les dommages dus aux liquides. Quel que soit le fluide, la température et la puissance doivent être réglées en conséquence. Nettoyez et maintenez les tubes de transfert de chaleur de façon régulière ; le rinçage ou le lavage à haute pression est une option viable.

Ses effets sur le transfert de chaleur

1. Coût

Le principal effet de l’encrassement sur le transfert de chaleur réside dans le coût. Il peut être divisé en quatre parties : coût d’évitement, coût de maintenance, coût de remplacement ou de réparation, et la rentabilité.

Les opérations qui tentent d’éviter l’encrassement par des moyens inefficaces accumulent les coûts d’évitement. Certaines applications installent des échangeurs de chaleur et des tubes plus volumineux pour permettre un débit de liquide plus élevé, même en cas d’encrassement. Il en résulte une augmentation de la vitesse à laquelle le liquide doit être chauffé et déplacé, ainsi que des coûts de fonctionnement de l’échangeur de chaleur.

Les coûts d’entretien sont pris en compte lorsqu’un encrassement est présent et que le chef de projet entreprend le nettoyage. Au fur et à mesure que l’encrassement se produit, une maintenance est nécessaire pour éliminer les particules et les accumulations, faute de quoi l’ensemble du système tombera en panne.

Les coûts de remplacement et de réparation s’ajoutent si le besoin de maintenance n’est pas satisfait. Les coûts de remplacement et de réparation peuvent s’accumuler rapidement parce que ce sont souvent de grandes opérations compliquées.

Enfin, nous ne voulons pas interrompre le projet en raison de réparations ou d’une défaillance du système. Cela nuit à la rentabilité puisqu’on arrête la production. Il est également possible que les dernières productions ne soient pas viables à cause de l’encrassement du système. Fermer une usine entière n’est jamais souhaité par les opérateurs, mais si l’encrassement n’est pas pris en compte, c’est inévitable.

2. Efficacité du transfert de chaleur et consommation d’énergie

Plus le système est encrassé, moins le transfert de chaleur est efficace. Le système est davantage sollicité pour chauffer et faire circuler la substance. En fonction des matériaux, l’encrassement peut également éroder la surface des tuyaux jusqu’à ce qu’ils commencent à fuir, exposant l’intérieur à plus de contaminants et gaspillant les ressources.

3. Production de substances

L’encrassement peut rendre la production inutilisable, en particulier dans les secteurs de l’alimentation, des boissons et de la production pharmaceutique. Si les liquides chauffés et transférés entrent en contact ou réagissent chimiquement avec les particules qui se sont développées sur les surfaces de la tuyauterie, ils ne peuvent plus être utilisés. Il en résulte une perte de production importante, la nécessité de vidanger le système, et le temps et l’argent nécessaires pour redémarrer après une interruption.

Comment remédier à l’encrassement

1. Les quatre types de nettoyage

Il existe quatre façons de nettoyer l’encrassement, en fonction du type de matériaux et de liquides utilisés.

• Le nettoyage chimique se fait au moyen de produits chimiques pour dissoudre les dépôts indésirables. C’est une option pour l’entartrage, la croissance organique et la cokéfaction.
• Le nettoyage mécanique est utilisé lorsqu’une personne peut enlever les dépôts en toute sécurité au moyen d’outils comme des brosses et un nettoyant haute pression.
• Le nettoyage thermique brûle les dépôts à haute température. Employez cette option pour les dépôts organiques, comme la graisse et l’huile.
• Le nettoyage par ultrasons utilise des ondes sonores à haute fréquence pour supprimer les dépôts de tartre et l’encrassement biologique.

2. Vitesse du fluide

Les fluides qui se déplacent à grande vitesse aident à éliminer les dépôts au fur et à mesure de leur déplacement. Ceci n’est utile que lorsque l’encrassement est faible et que le liquide peut être transféré sans risque de cette manière.

Le maintien d’un débit constant réduit également le risque de dépôt à la surface, car les dépôts n’ont pas la capacité de s’accumuler ni de s’y accrocher. Les dépôts sont plus susceptibles de se fixer dans les zones à faible débit ou en cas d’interruption de la production.

3. Température du fluide

Lorsque la température d’un réchauffeur à circulation ou d’un thermoplongeur augmente ou reste à des températures extrêmes, les dépôts de tartre et la croissance organique sont plus susceptibles de se produire. Ce phénomène peut être évité en abaissant la température ou en répartissant la source de chaleur à l’aide de plusieurs réchauffeurs à circulation afin d’éviter les gradients de température.

4. Chimie des fluides

La composition du fluide transféré est à prendre en compte. À certaines températures ou débits, certaines substances peuvent réagir ou se diviser en de nombreuses substances qui se transforment en dépôts. 

5. Matériaux de l’échangeur de chaleur

Tous les matériaux ne sont pas adaptés à toutes les températures et à tous les liquides, gaz ou solides. Il est important d’utiliser des matériaux qui conviennent aux substances présentes dans l’échangeur de chaleur. Lorsque la corrosion est à craindre, il convient d’utiliser des matériaux résistants à la corrosion, tels que l’acier inoxydable, le titane et les alliages. Il faut ensuite tenir compte de la surface du matériau. Les surfaces rugueuses s’encrassent plus facilement.

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