CAPTEUR D’ENCRASSEMENT PROTOTYPE DEVELOPPE ET VALIDATION

BIBLIOGRAPHIE : LES CAPTEURS DE SUIVI D’ENCRASSEMENT

Même si, de nos jours, beaucoup de progrès ont été réalisés sur l’encrassement au sein de ligne de transformation ; ce phénomène n’est pas parfaitement contrôlé et il est nécessaire de disposer d’outils permettant d’évaluer le taux d’encrassement en temps réel. De tels dispositifs sont recherchés pour éviter de dépasser un certain niveau d’encrassement qui oblige à procéder à un nettoyage mécanique, nécessitant un démontage de l’équipement. Il est admis que la phase du nettoyage en place peut être optimisée par l’utilisation de capteur en ligne et hors ligne afin de réduire les temps de nettoyage et la quantité d’effluents (Alvarez, Daufin, et Gésan-Guiziou, 2010) mais, en pratique, de telles lignes instrumentées sont rarement présentes en industrie (Collier et al., 2015). Ainsi, bien qu’un nombre important de méthodes sont proposées pour détecter les facteurs d’encrassement des échangeurs de chaleur utilisés en industrie laitière (Collier, 2014 ; Wallhausser, Hussein, et Becker, 2012), il est aujourd’hui toujours difficile de déterminer de manière optimale le moment pour commencer ou terminer une opération de nettoyage. Dans les deux paragraphes qui vont suivre, plusieurs méthodes de détection du facteur d’encrassement sont présentées et comparées. Cette description ne se veut pas exhaustive et si le lecteur souhaite connaitre plus de méthodes utilisées ou de détails sur certain des principes de ces capteurs, il peut se référer aux nombreuses revues bibliographiques telle que celles proposées par Wallhausser, Hussein, et Becker (2012) et Collier (2014) spécifiques au secteur agroalimentaire. La présentation des méthodes de détection est divisée en deux parties, l’une concernant les mesures donnant une information globale sur le facteur d’encrassement de l’installation et l’autre concernant s mesures locales. On peut classer les techniques suivant d’autres critères comme les mesures continues ou discontinues, intrusives ou non, en ligne ou hors ligne (Crattelet et al., 2013). 

Les mesures globales 

Les analyses hors ligne comme la pesée des masses de dépôt sont des techniques fiables pour mesurer le niveau d’encrassement mais cela nécessite le démontage de l’échangeur à plaques ce qui limite cette méthode aux études scientifiques. Par contre, la mesure en ligne de la perte de pression (Corrieu, Lalande, et Ferret, 1986) est moins gênante et en dépit des imperfections (cf. 2.1.4), elle est utilisée par les industriels pour déterminer le niveau global d’encrassement des échangeurs de chaleur à plaques. La mesure des températures et des débits des fluides à traiter et des fluides d’usage permet aussi d’obtenir une information sur le niveau global d’encrassement au moyen du calcul du coefficient d’échange de chaleur global ou de la résistance (cf. 2.1.4). Des modèles numériques ont aussi été proposés pour détecter l’encrassement à partir de ces mesures. La transformation en ondelettes (Ingimundardottir et Lalot, 2011) ou les réseaux de neurones (Lalot et Palsson, 2010) sont deux exemples de techniques capables de détecter l’encrassement en temps réel. La détection de l’encrassement se fait en estimant l’écart entre le modèle du système obtenu en condition propre et en condition de fonctionnement. Cependant l’implémentation sur des procédés réels doit être réalisée pour confirmer l’intérêt d’utiliser ces techniques à une échelle industrielle.

Les mesures locales

 L’exploitation des ondes sonores a été récemment étudiée pour mesurer le facteur d’encrassement de manière non intrusive. L’utilisation d’ondes ultrasonores a aussi été étudiée pour déterminer la force d’adhésion des dépôts (Collier et al., 2015, Figure 27). Merheb et al. (2007) ont analysé la réponse acoustique d’un échangeur de chaleur à plaques soumis à des impulsions mécaniques générées par un dispositif électromagnétique (Figure 28) pour évaluer l’état d’encrassement de l’échangeur. L’inconvénient principal de ces deux techniques est qu’elles nécessitent l’installation de matériels coûteux et une analyse de signaux complexe qui freinent le passage vers des applications industrielles. Une technologie plus prometteuse pour suivre l’encrassement est basée sur l’utilisation de capteur de surface mécatronique (Pereira et al., 2006)  présentée dans la Figure 29. Ce dispositif donne une information sur la quantité de dépôt formé et ses propriétés élastiques. Le principe repose sur l’analyse de la réponse à une excitation mécanique de la surface en acier sur laquelle se forme le dépôt. Le capteur n’est pas intrusif mais il nécessite la fabrication d’une cellule d’écoulement semi-cylindrique spécifique qui intègre le capteur de surface mécatronique. 

L’étude menée par Ali et al. (2013) est une preuve de concept sur la capacité de la jauge de dynamique des fluides (Fluid Dynamic Gauging ou FDG) soumise à des pressions et des températures élevées à mesurer la croissance d’un dépôt en temps réel. La sonde FDG (Figure 30) permet une mesure sans contact à l’aide d’une buse immergée dans le liquide encrassant face au dépôt attaché à la paroi. Un débit de circulation du liquide dans la buse est établi à une valeur fixe. La distance entre la buse et la paroi ou la surface du dépôt est obtenue à partir de la variation de pression mesurée au niveau de la buse. L’application aux procédés agroalimentaires comme ceux traitant les produits laitiers est difficile car la sonde FDG est intrusive et risque d’être aussi sujette à l’encrassement. La mesure de la conductivité électrique est une autre voie pour surveiller l’encrassement dans les échangeurs de chaleur à plaques. Chen et al. (2004) et Guerin et al. (2007) ont montré que cette technique permet d’évaluer l’encrassement laitier en ligne. Pour ces deux exemples, le montage du dispositif n’est pas simple, les électrodes doivent être correctement isolées par rapport à l’échangeur de chaleur. Le dispositif utilisé par Guerin et al. (2007) est présenté dans la Figure 31. La technique du fil chaud (Crattelet et al., 2013) est utilisée à une échelle industrielle. Ces capteurs sont placés dans la solution encrassante et deux modes de fonctionnement sont proposés, le régime thermique permanent ou périodique. Cette technique est capable d’évaluer le phénomène d’encrassement et d’évaluer des propriétés physiques du dépôt. L’inconvénient de ce dispositif, présenté Figure 32, est qu’il est intrusif. Le principe de ce capteur consiste à générer une excitation thermique et à mesurer la variation de la température au niveau de la sonde sur laquelle le dépôt va croître. Un autre type de capteur a excitation thermique fonctionnant sur le même principe a été étudié dans le cadre de la thèse de Perez (2003). Ce capteur est présenté dans la Figure 33 et est intégré dans la paroi de l’échangeur. Chacune des techniques présentées ont des avantages et des inconvénients. Le capteur d’encrassement proposé et présenté par la suite a été développé avec pour objectif d’être facile à installer, utiliser, non intrusif et peu cher. Les performances du dispositif ont été validées à l’échelle du pilote. Ce capteur nécessite la génération d’un flux de chaleur contrôlé à la surface externe d’une section de tube droit et la mesure d’une température à la surface externe du tube. Cette température augmente avec la croissance du dépôt du fait de l’augmentation de la résistance thermique provenant de dépôt encrassant. La méthode utilisée est proche de celle utilisée avec la sonde « neosens FS-1000 » mais avec un montage à l’extérieur de la conduite ou circule le fluide encrassant et non pas à l’intérieur. Le Tableau 13 présente, de manière synthétique, les avantages, limitations et échelles d’application de plusieurs méthodes de mesure. 

DEVELOPPEMENT D’UN CAPTEUR D’ENCRASSEMENT NON INTRUSIF

Principe et présentation du capteur

Ce capteur est composé d’une résistance électrique plane qui recouvre un thermocouple (Figure 34) en contact avec la paroi externe d’un manchon installé dans une zone de chambrage. Cette zone de chambrage est située en aval d’une zone de chauffe constituée par un échangeur de chaleur à plaques et au sein duquel on souhaite quantifier le facteur d’encrassement. Le principe de mesure de ce capteur consiste à suivre l’évolution de la température au cours du temps, lorsqu’un flux thermique imposé par la résistance est dissipé au travers du capteur de température. Cette température évolue au cours du temps avec la formation de la couche de dépôt qui modifie le gradient de température local. Le capteur se présente sous la forme d’un mince empilement en contact avec la surface externe d’une section de tube droit (Figure 35a). Il est composé d’un thermocouple de type T, d’une résistance de cuivre plane carrée de côté 50 mm de valeur 27,5 Ω et d’un isolant à base de mousse élastomère. Le tube sur lequel est monté le capteur est disposé verticalement. Dans cette position, l’effet de la gravité sur le phénomène de déposition est minimisé