Encrassement

L'encrassement est l'accumulation de matières indésirables sur des surfaces solides. Les matières encrassantes peuvent être constituées soit d'organismes vivants ( encrassement biologique , organique) soit d'une substance non vivante (inorganique). L'encrassement se distingue généralement des autres phénomènes de croissance de surface par le fait qu'il se produit sur la surface d'un composant, d'un système ou d'une installation exécutant une fonction définie et utile et que le processus d'encrassement entrave ou interfère avec cette fonction.

D'autres termes utilisés dans la littérature pour décrire l'encrassement comprennent la formation de dépôt, l'incrustation, l'encrassement, le dépôt, l'entartrage, la formation de tartre, la scorification et la formation de boues. Les six derniers termes ont une signification plus étroite que l'encrassement dans le cadre de la science et de la technologie de l'encrassement, et ils ont également des significations en dehors de ce cadre ; par conséquent, ils doivent être utilisés avec prudence.

Les phénomènes d'encrassement sont courants et divers, allant de l'encrassement des coques de navires, des surfaces naturelles du milieu marin ( encrassement marin ), à l'encrassement des composants de transfert de chaleur par des ingrédients contenus dans l'eau ou les gaz de refroidissement , et même au développement de plaque ou de tartre sur les dents ou de dépôts sur les panneaux solaires sur Mars, entre autres exemples.

Cet article est principalement consacré à l'encrassement des échangeurs de chaleur industriels, bien que la même théorie soit généralement applicable à d'autres types d'encrassement. Dans la technologie du refroidissement et d'autres domaines techniques, on fait une distinction entre l'encrassement macro et l'encrassement micro. Des deux, l'encrassement micro est celui qui est généralement le plus difficile à prévenir et donc le plus important.

Exemples de composants susceptibles d’être sujets à l’encrassement et effets correspondants de l’encrassement :

• Surfaces des échangeurs de chaleur – réduit l’efficacité thermique , diminue le flux de chaleur, augmente la température du côté chaud, diminue la température du côté froid, induit une corrosion sous-dépôt, augmente l’utilisation d’eau de refroidissement ;
• Tuyauterie, canaux d'écoulement – ​​réduit le débit, augmente la chute de pression, augmente la pression en amont, augmente la dépense énergétique, peut provoquer des oscillations de débit, des coups de bélier dans un écoulement diphasique, de la cavitation ; peut augmenter la vitesse d'écoulement ailleurs, peut induire des vibrations, peut provoquer un blocage de l'écoulement ;
• Coques de navires – crée une traînée supplémentaire , augmente la consommation de carburant, réduit la vitesse maximale ;
• Turbines – réduisent l’efficacité, augmentent la probabilité de défaillance ;
• Panneaux solaires – diminuent la puissance électrique produite ;
• Membranes d’osmose inverse – augmente la perte de charge, augmente la dépense énergétique, réduit le flux, défaillance de la membrane (dans les cas graves) ;
• Éléments chauffants électriques – augmente la température de l’élément, augmente la corrosion, réduit la durée de vie ;
• Canons d'armes à feu - augmente la pression de la chambre ; entrave le chargement des armes à chargement par la bouche
• Combustible nucléaire dans les réacteurs à eau sous pression – anomalie de décalage axial, peut nécessiter une réduction de la puissance de la centrale électrique ;
• Buses d’injection/pulvérisation (par exemple, une buse pulvérisant un carburant dans un four) – quantité incorrecte injectée, jet mal formé, inefficacité des composants, défaillance des composants ;
• Tubes de Venturi , plaques à orifice – mesure inexacte ou incorrecte du débit ;
• Tubes de Pitot dans les avions – indication inexacte ou incorrecte de la vitesse de l’avion ;
• Électrodes de bougies d'allumage dans les voitures – ratés d'allumage du moteur ;
• Zone de production de réservoirs de pétrole et de puits de pétrole – diminution de la production pétrolière au fil du temps ; colmatage ; dans certains cas, arrêt complet du débit en quelques jours ;
• Dents – favorise les maladies des dents ou des gencives, diminue l’esthétique ;
• Organismes vivants – le dépôt de minéraux en excès (par exemple, calcium, fer, cuivre) dans les tissus est (parfois de manière controversée) lié au vieillissement / à la sénescence .

L'encrassement macroscopique est provoqué par des matières grossières d'origine biologique ou inorganique, par exemple des déchets industriels . Ces matières pénètrent dans le circuit d'eau de refroidissement par les pompes à eau de refroidissement à partir de sources telles que la mer , les rivières ou les lacs . Dans les circuits fermés, comme les tours de refroidissement , l'encrassement macroscopique peut pénétrer dans le bassin de la tour de refroidissement par des canaux ouverts ou par le vent. Parfois, des parties des composants internes de la tour de refroidissement se détachent et sont entraînées dans le circuit d'eau de refroidissement. De telles substances peuvent encrasser les surfaces des échangeurs de chaleur et entraîner une détérioration du coefficient de transfert de chaleur concerné . Elles peuvent également créer des blocages de flux, redistribuer le flux à l'intérieur des composants ou provoquer des dommages par frottement .

Exemples

• Déchets artificiels;
• Pièces internes détachées des composants ;
• Outils et autres « objets étrangers » laissés accidentellement après l’entretien ;
• Algues ;
• Moules ;
• Feuilles , parties de plantes jusqu'aux troncs entiers .

En ce qui concerne le micro-encrassement, des distinctions sont faites entre :

• Encrassement par dépôts calcaires ou précipitations, comme la cristallisation de sels solides , d'oxydes et d'hydroxydes à partir de solutions aqueuses (par exemple, carbonate de calcium ou sulfate de calcium)
• Encrassement particulaire , c'est-à-dire accumulation de particules, généralement des particules colloïdales , sur une surface
• Encrassement par corrosion, c'est-à-dire croissance in situ de dépôts de corrosion , par exemple de magnétite sur des surfaces en acier au carbone
• Encrassement par réaction chimique, par exemple décomposition ou polymérisation de matière organique sur des surfaces chauffantes
• Encrassement par solidification - lorsque les composants du fluide en écoulement ayant un point de fusion élevé gèlent sur une surface sous-refroidie
• Encrassement biologique , comme les colonies de bactéries et d'algues
• Encrassement composite, dans lequel l'encrassement implique plus d'un agent d'encrassement ou mécanisme d'encrassement

L'entartrage ou l'encrassement par précipitation implique la cristallisation de sels solides , d'oxydes et d'hydroxydes à partir de solutions . Il s'agit le plus souvent de solutions aqueuses, mais on connaît également un encrassement par précipitation non aqueuse. L'encrassement par précipitation est un problème très courant dans les chaudières et les échangeurs de chaleur fonctionnant avec de l'eau dure et entraîne souvent la formation de calcaire .

Par des changements de température, ou par l'évaporation ou le dégazage du solvant , la concentration en sels peut dépasser la saturation , conduisant à une précipitation de solides (généralement des cristaux).

A titre d'exemple, l'équilibre entre le bicarbonate de calcium facilement soluble - toujours présent dans l'eau naturelle - et le carbonate de calcium peu soluble , peut s'écrire l'équation chimique suivante :

$\{CaCO3(v)\}+\{CO2\}\backslash !\{\backslash uparrow\; \}+H2O{\text{Ca}{\left({\text{HCO}}_3^{}\right)}_2^{}}_{\left(\text{aqueous}\right)}^{}⟶{\text{CaCO}}_3^{}\downarrow +{\text{CO}}_2^{}\uparrow +{\text{H}}_2^{}\text{O}${CaCO3(v)}+{CO2}\!{\uparrow }+H2O}}}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/65ed8eac9f0512ddd92e95ff528ebf0e083e1f44">

Le carbonate de calcium qui se forme au cours de cette réaction précipite. En raison de la dépendance de la réaction à la température et de la volatilité croissante du CO ₂ avec l'augmentation de la température, l'entartrage est plus élevé à la sortie la plus chaude de l'échangeur de chaleur qu'à l'entrée la plus froide.

En général, la dépendance de la solubilité du sel à la température ou à la présence d'évaporation sera souvent la force motrice de l'encrassement par précipitation. La distinction importante est entre les sels avec une dépendance « normale » ou « rétrograde » de la solubilité à la température. Les sels avec une solubilité « normale » augmentent leur solubilité avec l'augmentation de la température et encrassent ainsi les surfaces de refroidissement. Les sels avec une solubilité « inverse » ou « rétrograde » encrassent les surfaces de chauffage. Un exemple de la dépendance de la solubilité à la température est illustré dans la figure. Le sulfate de calcium est un encrassement courant des surfaces de chauffage par précipitation en raison de sa solubilité rétrograde.

L'encrassement par précipitation peut également se produire en l'absence de chauffage ou de vaporisation. Par exemple, le sulfate de calcium diminue sa solubilité lorsque la pression diminue. Cela peut conduire à l'encrassement par précipitation des réservoirs et des puits dans les champs pétroliers, diminuant leur productivité au fil du temps. L'encrassement des membranes dans les systèmes d'osmose inverse peut se produire en raison de la solubilité différentielle du sulfate de baryum dans des solutions de force ionique différente . De même, l'encrassement par précipitation peut se produire en raison de changements de solubilité induits par d'autres facteurs, par exemple, le flashage liquide , le dégazage liquide, les changements de potentiel redox ou le mélange de flux de fluides incompatibles.

Voici une liste de certaines des phases industrielles courantes de dépôts d'encrassement par précipitation observés dans la pratique à partir de solutions aqueuses :

• Carbonate de calcium ( calcite , aragonite généralement à t > ~50 °C, ou rarement vatérite ) ;
• Sulfate de calcium ( anhydrite , hémihydrate , gypse ) ;
• Oxalate de calcium (par exemple, beerstone);
• Sulfate de baryum ( barytine );
• Hydroxyde de magnésium ( brucite ); oxyde de magnésium ( périclase );
• Silicates ( serpentine , acmite , gyrolite , gehlénite , silice amorphe , quartz , cristobalite , pectolite , xonotlite ) ;
• Hydroxydes d'aluminium ( boehmite , gibbsite , diaspore , corindon ) ;
• Aluminosilicates ( analcite , cancrinite , nosélite ) ;
• Cuivre ( cuivre métallique , cuprite , ténorite ) ;
• Phosphates ( hydroxyapatite ) ;
• Magnétite ou ferrite de nickel (NiFe ₂ O ₄ ) provenant d'eau extrêmement pure et à faible teneur en fer.

Le taux de dépôt par précipitation est souvent décrit par les équations suivantes :

Transport:

Cristallisation superficielle :

Dans l'ensemble:

où:

L'encrassement par des particules en suspension dans l'eau (« crud ») ou dans le gaz progresse par un mécanisme différent de l'encrassement par précipitation. Ce processus est généralement plus important pour les particules colloïdales , c'est-à-dire les particules plus petites qu'environ 1 μm dans au moins une dimension (mais qui sont beaucoup plus grandes que les dimensions atomiques). Les particules sont transportées à la surface par un certain nombre de mécanismes et là, elles peuvent se fixer, par exemple, par floculation ou coagulation . Notez que la fixation des particules colloïdales implique généralement des forces électriques et donc le comportement des particules défie l'expérience du monde macroscopique. La probabilité de fixation est parfois appelée « probabilité de collage », :

où et sont les constantes de vitesse cinétique pour le dépôt et le transport, respectivement. La valeur de pour les particules colloïdales est une fonction à la fois de la chimie de surface, de la géométrie et des conditions thermohydrauliques locales.

Une alternative à l'utilisation de la probabilité de collage est d'utiliser une constante de vitesse d'attachement cinétique, en supposant la réaction du premier ordre :

et ensuite les coefficients cinétiques de transport et d'attachement sont combinés comme deux processus se produisant en série :

où:

Étant essentiellement un phénomène de chimie de surface , ce mécanisme d'encrassement peut être très sensible aux facteurs qui affectent la stabilité colloïdale, par exemple le potentiel zêta . Un taux d'encrassement maximal est généralement observé lorsque les particules encrassantes et le substrat présentent une charge électrique opposée, ou proche du point de charge nulle de l'une ou l'autre.

Les particules plus grosses que celles de dimensions colloïdales peuvent également s'encrasser, par exemple par sédimentation (« encrassement par sédimentation ») ou par filtrage dans des ouvertures de petite taille.

Avec le temps, le dépôt de surface résultant peut durcir par des processus connus collectivement sous le nom de « consolidation du dépôt » ou, familièrement, « vieillissement ».

Les dépôts particulaires courants d'encrassement formés à partir de suspensions aqueuses comprennent :

• oxydes de fer et oxyhydroxydes de fer ( magnétite , hématite , lépidocrocite , maghémite , goethite ) ;
• Encrassement par sédimentation par du limon et d'autres matières en suspension relativement grossières.

L'encrassement par des particules provenant d' aérosols gazeux revêt également une importance industrielle. Les particules peuvent être solides ou liquides. Les exemples les plus courants sont l'encrassement par les gaz de combustion ou l'encrassement des composants refroidis par air par la poussière présente dans l'air. Les mécanismes sont abordés dans l'article sur le dépôt d'aérosols .

Les dépôts de corrosion sont créés in situ par la corrosion du substrat . Ils se distinguent des dépôts d'encrassement, qui se forment à partir de matériaux provenant ex situ. Les dépôts de corrosion ne doivent pas être confondus avec les dépôts d'encrassement formés par des produits de corrosion générés ex situ. Les dépôts de corrosion ont normalement une composition liée à la composition du substrat. De plus, la géométrie des interfaces métal-oxyde et oxyde-fluide peut permettre une distinction pratique entre les dépôts de corrosion et d'encrassement. Un exemple d'encrassement par corrosion peut être la formation d'un dépôt d'oxyde de fer ou d'oxyhydroxyde provenant de la corrosion de l'acier au carbone situé en dessous. L'encrassement par corrosion ne doit pas être confondu avec la corrosion par encrassement, c'est-à-dire tout type de corrosion qui peut être induit par l'encrassement.

Des réactions chimiques peuvent se produire au contact des espèces chimiques du fluide de traitement avec les surfaces de transfert de chaleur. Dans de tels cas, la surface métallique agit parfois comme catalyseur . Par exemple, la corrosion et la polymérisation se produisent dans l'eau de refroidissement de l'industrie chimique qui contient une faible teneur en hydrocarbures. Les systèmes de traitement du pétrole sont sujets à la polymérisation des oléfines ou au dépôt de fractions lourdes ( asphaltènes , cires, etc.). Les températures élevées des parois des tubes peuvent conduire à la carbonisation de la matière organique. L'industrie alimentaire, par exemple la transformation du lait, connaît également des problèmes d'encrassement par des réactions chimiques.

L'encrassement dû à une réaction ionique avec évolution d'un solide inorganique est généralement classé comme encrassement par précipitation (et non comme encrassement par réaction chimique).

L'encrassement par solidification se produit lorsqu'un composant du fluide en écoulement « gèle » sur une surface, formant un dépôt d'encrassement solide. On peut citer comme exemples la solidification de cire (à point de fusion élevé) issue d'une solution d'hydrocarbures, ou de cendres fondues (transportées dans les gaz d'échappement d'un four) sur la surface d'un échangeur de chaleur. La surface doit avoir une température inférieure à un certain seuil ; on dit donc qu'elle est sous-refroidie par rapport au point de solidification de l'encrassement.

L' encrassement biologique est l'accumulation indésirable de micro-organismes, d'algues et de diatomées , de plantes et d'animaux sur des surfaces telles que les coques de navires et de sous-marins, ou les canalisations et les réservoirs contenant de l'eau non traitée. Cela peut s'accompagner d'une corrosion d'origine microbiologique (MIC).

Les bactéries peuvent former des biofilms ou des boues. Ainsi, les organismes peuvent s'agréger sur des surfaces à l'aide d'hydrogels colloïdaux d'eau et de substances polymères extracellulaires (EPS) ( polysaccharides , lipides, acides nucléiques, etc.). La structure du biofilm est généralement complexe.

L'encrassement bactérien peut se produire dans des conditions aérobies (avec de l'oxygène dissous dans l'eau) ou anaérobies (sans oxygène). En pratique, les bactéries aérobies préfèrent les systèmes ouverts, où l'oxygène et les nutriments sont constamment fournis, souvent dans des environnements chauds et ensoleillés. L'encrassement anaérobie se produit plus souvent dans les systèmes fermés lorsque suffisamment de nutriments sont présents. Les exemples peuvent inclure les bactéries sulfato-réductrices (ou bactéries sulfuro-réductrices ), qui produisent du sulfure et provoquent souvent la corrosion des métaux ferreux (et d'autres alliages). Les bactéries oxydant les sulfures (par exemple, Acidithiobacillus ), d'autre part, peuvent produire de l'acide sulfurique et peuvent être impliquées dans la corrosion du béton.

Les moules zébrées sont un exemple de grands animaux qui ont causé des salissures généralisées en Amérique du Nord.

L'encrassement composite est courant. Ce type d'encrassement implique plusieurs agents d'encrassement ou plusieurs mécanismes d'encrassement fonctionnant simultanément. Les multiples agents d'encrassement ou mécanismes peuvent interagir les uns avec les autres, ce qui entraîne un encrassement synergique qui n'est pas une simple somme arithmétique des composants individuels.

Les sondes d'exploration martienne de la NASA ( Spirit et Opportunity ) ont observé un encrassement abiotique (probablement) de leurs panneaux solaires par des particules de poussière provenant de l'atmosphère martienne. Certains des dépôts ont ensuite été spontanément nettoyés . Cela illustre le caractère universel du phénomène d'encrassement.

La manière la plus simple de quantifier un encrassement relativement uniforme consiste à indiquer la charge de surface moyenne du dépôt, c'est-à-dire en kg de dépôt par m² ^de surface. Le taux d'encrassement sera alors exprimé en kg/m² ^· s et s'obtient en divisant la charge de surface du dépôt par le temps de fonctionnement effectif. Le taux d'encrassement normalisé (également en kg/m² ^· s) tiendra également compte de la concentration de l'agent encrassant dans le fluide de traitement (kg/kg) au cours des opérations précédentes et est utile pour comparer les taux d'encrassement entre différents systèmes. Il s'obtient en divisant le taux d'encrassement par la concentration de l'agent encrassant. La constante du taux d'encrassement (m/s) peut être obtenue en divisant le taux d'encrassement normalisé par la masse volumique du fluide de traitement (kg/m³ ⁾ .

L'épaisseur du dépôt (μm) et la porosité (%) sont également souvent utilisées pour décrire le degré d'encrassement. La réduction relative du diamètre de la tuyauterie ou l'augmentation de la rugosité de la surface peuvent être particulièrement intéressantes lorsque l'on s'intéresse à l'impact de l'encrassement sur la perte de charge.

Dans les équipements de transfert de chaleur, où la principale préoccupation est souvent l'effet de l'encrassement sur le transfert de chaleur, l'encrassement peut être quantifié par l'augmentation de la résistance au flux de chaleur (m ² K/W) due à l'encrassement (appelée « résistance à l'encrassement »), ou par l'évolution du coefficient de transfert de chaleur (W/m ² K) avec le temps.

Si la corrosion sous-dépôt ou caverneuse est une préoccupation majeure, il est important de noter la non-uniformité de l'épaisseur du dépôt (par exemple, l'ondulation du dépôt ), l'encrassement localisé, le remplissage de régions confinées avec des dépôts, la création d'occlusions, de « crevasses », de « tubercules de dépôt » ou de tas de boues. De telles structures de dépôt peuvent créer un environnement propice à la corrosion sous-dépôt du matériau du substrat, par exemple, une attaque intergranulaire , des piqûres , une fissuration par corrosion sous contrainte ou un gaspillage localisé. La porosité et la perméabilité des dépôts influenceront probablement la probabilité de corrosion sous-dépôt. La composition du dépôt peut également être importante - même des composants mineurs des dépôts peuvent parfois provoquer une corrosion grave du métal sous-jacent (par exemple, le vanadium dans les dépôts de chaudières à combustion provoquant une corrosion à chaud ).

Il n'existe pas de règle générale sur la quantité de dépôt tolérée, cela dépend du système. Dans de nombreux cas, un dépôt de quelques micromètres d'épaisseur peut être problématique. Un dépôt de quelques millimètres d'épaisseur sera préoccupant dans presque toutes les applications.

Le dépôt sur une surface ne se développe pas toujours de manière constante au fil du temps. Les scénarios d'encrassement suivants peuvent être distingués, en fonction de la nature du système et des conditions thermohydrauliques locales à la surface :

• Période d'induction - Parfois, un taux d'encrassement quasi nul est observé lorsque la surface est neuve ou très propre. Ceci est souvent observé dans le cas de l'encrassement biologique et de l'encrassement par précipitation. Après la « période d'induction », le taux d'encrassement augmente.
• Encrassement « négatif » - Cela peut se produire lorsque le taux d'encrassement est quantifié en surveillant le transfert de chaleur. Des quantités relativement faibles de dépôt peuvent améliorer le transfert de chaleur, par rapport à une surface propre, et donner une apparence de taux d'encrassement « négatif » et de quantité totale d'encrassement négative. L'encrassement négatif est souvent observé dans des conditions de transfert de chaleur par ébullition nucléée (le dépôt améliore la nucléation des bulles) ou par convection forcée (si le dépôt augmente la rugosité de la surface et que la surface n'est plus « lisse hydrauliquement »). Après la période initiale de « contrôle de la rugosité de la surface », le taux d'encrassement devient généralement fortement positif.
• Encrassement linéaire - Le taux d'encrassement peut être constant dans le temps. Il s'agit d'un cas courant.
• Encrassement décroissant - Dans ce scénario, le taux d'encrassement diminue avec le temps, mais ne tombe jamais à zéro. L'épaisseur du dépôt n'atteint pas une valeur constante. La progression de l'encrassement peut souvent être décrite par deux nombres : le taux d'encrassement initial (une tangente à la courbe d'encrassement à charge de dépôt nulle ou à temps nul) et le taux d'encrassement après une longue période de temps (une asymptote oblique à la courbe d'encrassement).
• Encrassement asymptotique - Ici, le taux d'encrassement diminue avec le temps, jusqu'à atteindre finalement zéro. À ce stade, l'épaisseur du dépôt reste constante dans le temps ( asymptote horizontale ). C'est souvent le cas pour les dépôts relativement mous ou peu adhérents dans les zones d'écoulement rapide. L'asymptote est généralement interprétée comme la charge du dépôt pour laquelle le taux de dépôt est égal au taux d'élimination du dépôt.
• Accélération de l'encrassement - Dans ce scénario, le taux d'encrassement augmente avec le temps ; le taux d'accumulation du dépôt s'accélère avec le temps (peut-être jusqu'à ce qu'il devienne limité par le transport). Mécaniquement, ce scénario peut se développer lorsque l'encrassement augmente la rugosité de la surface ou lorsque la surface du dépôt présente une propension chimique à l'encrassement plus élevée que le métal pur sous-jacent.
• Encrassement en dents de scie - Ici, la charge d'encrassement augmente généralement avec le temps (en supposant souvent un taux généralement linéaire ou décroissant), mais, lorsqu'on l'examine plus en détail, la progression de l'encrassement est périodiquement interrompue et prend la forme d' une courbe en dents de scie . Les variations périodiques brusques de la quantité d'encrassement apparente correspondent souvent aux moments d'arrêt du système, de démarrage ou d'autres transitoires en fonctionnement. Les variations périodiques sont souvent interprétées comme une élimination périodique d'une partie du dépôt (peut-être une remise en suspension du dépôt due à des impulsions de pression, un écaillage dû à des contraintes thermiques ou une exfoliation due à des transitoires redox). On a postulé qu'une couverture de vapeur se produit entre les dépôts partiellement écaillés et la surface de transfert de chaleur. Cependant, d'autres raisons sont possibles, par exemple, le piégeage d'air à l'intérieur des dépôts de surface pendant les arrêts ou l'inexactitude des mesures de température pendant les transitoires (« diffusion de température »).

L'encrassement d'un système peut être modélisé comme étant constitué de plusieurs étapes :

• Génération ou pénétration des espèces responsables de l'encrassement (« foulant sourcing ») ;
• Transport de l'encrassant avec le courant du fluide de procédé (le plus souvent par advection ) ;
• Transport de l'encrassement depuis la masse du fluide de procédé jusqu'à la surface d'encrassement. Ce transport s'effectue souvent par diffusion moléculaire ou tourbillonnaire , mais peut également se produire par inertie/impaction, interception de particules par la surface (pour les particules de taille finie), électrophorèse , thermophorèse , diffusiophorèse , écoulement de Stefan (en condensation et évaporation), sédimentation , force Magnus (agissant sur les particules en rotation), effet thermoélectrique , et autres mécanismes.
• Période d'induction, c'est-à-dire un taux d'encrassement quasi nul à la période initiale d'encrassement (observé uniquement pour certains mécanismes d'encrassement) ;
• Cristallisation d'encrassement à la surface (ou fixation de la particule colloïdale, ou réaction chimique, ou croissance bactérienne) ;
• Parfois, l'encrassement est retardé automatiquement, c'est-à-dire qu'il entraîne une réduction (ou potentiellement une amélioration) du taux de cristallisation/fixation en raison de modifications des conditions de surface causées par le dépôt d'encrassement ;
• Dissolution du dépôt (ou réentraînement de particules faiblement attachées) ;
• Consolidation du dépôt en surface (par exemple par maturation d'Ostwald ou solubilité différentielle dans un gradient de température) ou cimentation , qui expliquent que le dépôt perde sa porosité et devienne plus tenace avec le temps ;
• Écaillage des dépôts , usure par érosion ou exfoliation .

Le dépôt consiste en un transport vers la surface et une fixation ultérieure. L'élimination du dépôt se fait soit par dissolution du dépôt, par réentraînement des particules, par écaillage du dépôt, par usure érosive ou par exfoliation. L'encrassement résulte de la génération d'encrassement, du dépôt d'encrassement, de l'élimination du dépôt et de la consolidation du dépôt.

Pour le modèle moderne d'encrassement impliquant un dépôt avec réentraînement et consolidation simultanés du dépôt, le processus d'encrassement peut être représenté par le schéma suivant :

[ taux d'accumulation des dépôts ] = [ taux de dépôt ] - [ taux de réentraînement des dépôts non consolidés ]

[ taux d'accumulation du dépôt non consolidé ] = [ taux de dépôt ] - [ taux de réentraînement du dépôt non consolidé ] - [ taux de consolidation du dépôt non consolidé ]

En suivant le schéma ci-dessus, les équations d'encrassement de base peuvent être écrites comme suit (pour des conditions de régime permanent avec écoulement, lorsque la concentration reste constante dans le temps) :

où:

• m est la charge massique du dépôt (consolidé et non consolidé) sur la surface (kg/m ² );
• t est le temps (s) ;
• k _d est la constante de vitesse de dépôt (m/s) ;
• ρ est la masse volumique du fluide (kg/m ³ );
• C _m - fraction massique de l'encrassant dans le fluide (kg/kg) ;
• λ _r est la constante de vitesse de réentraînement (1/s) ;
• m _r est la charge massique de la fraction amovible (c'est-à-dire non consolidée) du dépôt de surface (kg/m ² ); et
• λ _c est la constante de vitesse de consolidation (1/s).

Ce système d'équations peut être intégré (en prenant m = 0 et m _r = 0 à t = 0) sous la forme :

où λ = λ _r + λ _c .

Ce modèle reproduit un encrassement linéaire, descendant ou asymptotique, en fonction des valeurs relatives de k, λ _r et λ _c . L'image physique sous-jacente de ce modèle est celle d'un dépôt à deux couches constitué d'une couche interne consolidée et d'une couche externe lâche non consolidée. Un tel dépôt à deux couches est souvent observé dans la pratique. Le modèle ci-dessus se simplifie facilement en l'ancien modèle de dépôt et de réentraînement simultanés (qui néglige la consolidation) lorsque λ _c = 0. En l'absence de consolidation, l'encrassement asymptotique est toujours anticipé par cet ancien modèle et la progression de l'encrassement peut être décrite comme suit :

où m ^* est la charge massique maximale (asymptotique) du dépôt sur la surface (kg/m ² ).

L'encrassement est omniprésent et génère d'énormes pertes opérationnelles, un peu comme la corrosion. Par exemple, une estimation estime que les pertes dues à l'encrassement des échangeurs de chaleur dans les pays industrialisés s'élèvent à environ 0,25 % de leur PIB . Une autre analyse a estimé (pour 2006) les pertes économiques dues à l'encrassement des chaudières et des turbines dans les services publics chinois à 4,68 milliards de dollars, soit environ 0,169 % du PIB du pays.

Les pertes résultent initialement d'un transfert de chaleur altéré, de dommages dus à la corrosion (en particulier la corrosion sous-déposée et la corrosion caverneuse ), d'une perte de charge accrue, de blocages d'écoulement, de redistribution d'écoulement à l'intérieur des composants, d'instabilités d'écoulement, de vibrations induites (pouvant conduire à d'autres problèmes, par exemple la fatigue ), d'usure de contact , de défaillance prématurée des éléments chauffants électriques et d'un grand nombre d'autres problèmes souvent imprévus. De plus, les coûts écologiques doivent être pris en compte (mais ne le sont généralement pas). Les coûts écologiques découlent de l'utilisation de biocides pour éviter l'encrassement biologique, de l'augmentation de l'apport de carburant pour compenser la réduction de rendement causée par l'encrassement et d'une utilisation accrue d'eau de refroidissement dans les systèmes de refroidissement à passage unique.

Par exemple, l'encrassement « normal » d'une centrale électrique conventionnelle de 500 MW (puissance électrique nette) représente des pertes de production de la turbine à vapeur de 5 MW et plus. Dans une centrale nucléaire de 1 300 MW , les pertes typiques peuvent être de 20 MW et plus (jusqu'à 100 % si la centrale s'arrête en raison de la dégradation des composants induite par l'encrassement). Dans les usines de dessalement de l'eau de mer , l'encrassement peut réduire le taux de production gagné de pourcentages à deux chiffres (le taux de production gagné est un équivalent qui met en relation la masse de distillat généré avec la vapeur utilisée dans le processus). La consommation électrique supplémentaire dans les refroidisseurs à compresseur se situe également facilement dans la zone à deux chiffres. Outre les coûts d'exploitation, le coût d'investissement augmente également car les échangeurs de chaleur doivent être conçus dans des tailles plus grandes pour compenser la perte de transfert de chaleur due à l'encrassement. Aux pertes de production mentionnées ci-dessus, il faut ajouter le coût des temps d'arrêt nécessaires pour inspecter, nettoyer et réparer les composants (des millions de dollars par jour d'arrêt en perte de revenus dans une centrale électrique classique), ainsi que le coût de cette maintenance elle-même. Enfin, l'encrassement est souvent à l' origine de graves problèmes de dégradation qui peuvent limiter la durée de vie des composants ou de l'ensemble de la centrale.

La méthode la plus fondamentale et généralement préférée pour contrôler l'encrassement consiste à empêcher la pénétration des espèces encrassantes dans le circuit d'eau de refroidissement. Dans les centrales à vapeur et autres grandes installations industrielles de technologie de l'eau , l'encrassement macro est évité au moyen de filtres à débris de préfiltration et d'eau de refroidissement . Certaines usines utilisent un programme d'exclusion de corps étrangers (pour éliminer la possibilité d'introduction saillante de matériaux indésirables, par exemple, l'oubli d'outils pendant la maintenance). Une surveillance acoustique est parfois utilisée pour surveiller l'usure par frottement des pièces détachées. Dans le cas d'un microencrassement, la purification de l'eau est réalisée par des méthodes extensives de traitement de l'eau, de microfiltration , de technologie membranaire ( osmose inverse , électrodéionisation ) ou de résines échangeuses d'ions . La génération de produits de corrosion dans les systèmes de canalisations d'eau est souvent minimisée en contrôlant le pH du fluide de traitement (généralement l'alcalinisation avec de l'ammoniac , de la morpholine , de l'éthanolamine ou du phosphate de sodium ), le contrôle de l'oxygène dissous dans l'eau (par exemple, par ajout d' hydrazine ) ou l'ajout d' inhibiteurs de corrosion .

Pour les systèmes d'eau à des températures relativement basses, les biocides utilisés peuvent être classés comme suit : composés chlorés et bromés inorganiques , agents de dégradation du chlore et du bromure , agents de dégradation de l'ozone et de l'oxygène , biocides non oxydables . L'un des biocides non oxydables les plus importants est un mélange de chlorométhyl-isothiazolinone et de méthyl -isothiazolinone. Sont également utilisés le dibrom-nitilopropionamide et les composés d'ammonium quaternaire . Pour les coques de navires sous-marines, des peintures de fond sont utilisées.

Les inhibiteurs chimiques d'encrassement peuvent réduire l'encrassement dans de nombreux systèmes, principalement en interférant avec les étapes de cristallisation, de fixation ou de consolidation du processus d'encrassement. Exemples pour les systèmes d'eau : agents chélatants (par exemple, EDTA ), amines aliphatiques à longue chaîne ou polyamines (par exemple, octadécylamine, hélimine et autres amines « filmogènes »), acides phosphoniques organiques (par exemple, acide étidronique ) ou polyélectrolytes (par exemple, acide polyacrylique , acide polyméthacrylique, généralement avec un poids moléculaire inférieur à 10 000). Pour les chaudières à combustion, les additifs d'aluminium ou de magnésium peuvent abaisser le point de fusion des cendres et favoriser la création de dépôts plus faciles à éliminer. Voir également produits chimiques de procédé .

Le traitement magnétique de l'eau fait l'objet de controverses quant à son efficacité pour le contrôle de l'encrassement depuis les années 1950. L'opinion dominante est qu'il « ne fonctionne tout simplement pas ». Néanmoins, certaines études suggèrent qu'il peut être efficace dans certaines conditions pour réduire l'accumulation de dépôts de carbonate de calcium.

Au niveau de la conception des composants, l'encrassement peut souvent (mais pas toujours) être minimisé en maintenant une vitesse de fluide relativement élevée (par exemple, 2 m/s) et uniforme dans tout le composant. Les zones stagnantes doivent être éliminées. Les composants sont normalement surdimensionnés pour s'adapter à l'encrassement prévu entre les nettoyages. Cependant, une surconception importante peut être une erreur de conception car elle peut conduire à un encrassement accru en raison de vitesses réduites. Des impulsions de pression en ligne périodiques ou un reflux peuvent être efficaces si cette capacité est soigneusement intégrée au moment de la conception. La capacité de purge est toujours intégrée dans les générateurs de vapeur ou les évaporateurs pour contrôler l'accumulation d'impuretés non volatiles qui provoquent ou aggravent l'encrassement. Les surfaces à faible encrassement (par exemple, très lisses, implantées avec des ions ou à faible énergie de surface comme le Téflon ) sont une option pour certaines applications. Les composants modernes doivent généralement être conçus pour faciliter l'inspection des composants internes et le nettoyage périodique. Les systèmes de surveillance de l'encrassement en ligne sont conçus pour certaines applications afin que le soufflage ou le nettoyage puisse être appliqué avant qu'un arrêt imprévisible ne soit nécessaire ou que des dommages ne se produisent.

Les procédés de nettoyage chimiques ou mécaniques pour l'élimination des dépôts et des tartres sont recommandés lorsque l'encrassement atteint le point d'impacter les performances du système ou un début de dégradation significative induite par l'encrassement (par exemple, par corrosion). Ces procédés comprennent le décapage avec des acides et des agents complexants , le nettoyage avec des jets d'eau à grande vitesse (« lance à eau »), la recirculation (« sablage ») avec des billes métalliques, éponges ou autres, ou la propulsion de nettoyeurs de tubes mécaniques hors ligne de type « balle ». Alors que le nettoyage chimique provoque des problèmes environnementaux par la manipulation, l'application, le stockage et l'élimination des produits chimiques, le nettoyage mécanique au moyen de billes de nettoyage en circulation ou le nettoyage hors ligne de type « balle » peut être une alternative plus respectueuse de l'environnement . Dans certaines applications de transfert de chaleur, l'atténuation mécanique avec des échangeurs de chaleur à surface raclée dynamique est une option. Des méthodes de nettoyage par ultrasons ou abrasives sont également disponibles pour de nombreuses applications spécifiques.