Forme de la cuve

Energétiquement parlant, la forme extérieure de la cuve est un élément intéressant à développer. A première vue, la question suivante paraît stupide :

« Pour un volume de chambre de stérilisation et de double enveloppe donné, quelle est la forme extérieure la plus déperditive : le cylindre ou le parallélépipède rectangle ? »

Faisons rapidement le calcul.

On a :

  • le volume utile de chambre Vutch = (1 x 1 x 1) [m³] (H x L x P);
  • le côté de la chambre Cch = 1 [m]
  • le volume de double enveloppe Vde = 0.05 [m³];

Hypothèses :

  • on ne tient pas compte des épaisseurs de paroi.

On cherche à savoir quelles sont les surfaces de déperdition de la double enveloppe dans chacun des cas :

> pour le parallélépipède

  • le côté Cde est déterminé par la relation suivante: Cde2 x P –  Vde = Vutch

Cde x 1 = (Vde+ Vch)1/2 = (1 + 0.05)1/2 = 1,025 [m]

  • la surface déperditive est donnée par la relation suivante: Sde = 4 x Cde x 1

Sde = 4 x 1,025 = 4,1 [m²]

> pour le cylindre

  • le côté Cde est déterminé par la relation suivante :π x Dde2 / 4 x 1 –  Vde = Vch
  • le volume de la chambre, compte tenu de la perte de volume due à la forme cylindrique de la paroi interne par rapport au volume parallélépipédique :

 Vch  = π x Dch² / 4 x P = π x 2 / 4 = 1,57 [m]

avec Dch = Cch x 21/2 = 21/2

  • le diamètre de la double enveloppe :

Dde = ((Vde+ Vch) x 4 / π)1/2 = ((1,57 + 0.05) x 4 / π)1/2 = 1,44 [m]

  • la surface déperditive est donnée par la relation suivante : Sde = π x Dde x P

Sde = 3,14 x 1,44 = 4,5 [m²]

Pour une même déperdition, le rapport entre les deux surfaces déperditives est de 4,1 / 4,5 = 0,9.

Configuration cylindrique

(+)

  • l’enveloppe cylindrique supporte mieux la mise sous pression des parois;
  • si la paroi interne cylindrique de la cuve n’influence que très peu le volume utile de la charge à stériliser, l’enveloppe extérieure cylindrique offre moins de surface déperditive que la parallélépipédique (réduction de 11 % des pertes calorifiques);

(-)

  • si la paroi interne cylindrique de la cuve influence le volume utile de la charge (chargement horizontal dans des paniers DIN parallélépipédiques), l’enveloppe cylindrique offre plus de surface déperditive que la parallélépipédique (9 %);
  • mise en œuvre plus compliquée;

Configuration parallélipipédique

(+)

  • Pour une même capacité utile de stérilisation, le simple choix d’une double enveloppe parallélépipédique plutôt que cylindrique réduira les déperditions calorifiques de 9 %.
  • mise en œuvre technique plus simple;

(-)

  • la tenue à la pression interne des enveloppes parallélépipédiques est moins bonne que des cylindriques et nécessite de placer des raidisseurs;
  • de part la présence de renforts sur la paroi extérieure, l’enveloppe est plus difficile à isoler thermiquement;

Isolation de la cuve

Au niveau du constructeur, l’isolation des parois de la double enveloppe est conditionnée par le risque de brûlure au contact des parois chaudes. On parle régulièrement de températures de paroi de 45 à 50 °C. Cette valeur de température permet au constructeur de calculer l’épaisseur d’isolant à placer sur l’enveloppe extérieure.

Exemple.

Soit un stérilisateur effectuant un cycle à 134 °C. On peut considérer que le métal conduit très rapidement la chaleur et établisse une température de paroi extérieure de l’ordre de 134°C.

Calculs

Pour en savoir plus sur le calcul de la température de paroi.

Si dans le module de calcul on introduit une épaisseur d’isolant de 2 cm de laine minérale, la température de paroi est de l’ordre de 44 °C.

Dans la pratique, le constructeur isolera les parois extérieures au minimum, juste pour éviter les risques de brûlure. Sur le plan énergétique, il pourrait faire mieux en augmentant l’épaisseur d’isolant afin de réduire les déperditions qui risquent d’être importantes au vu de l’exemple suivant.

Exemple.

Un constructeur annonce des déperditions en régime stable pour un stérilisateur de 8 STE (8 paniers stériles de 600x300x300 mm), effectuant un cycle normalisé selon la norme EN 285; soit 6 kg d’ustensiles par panier et 134 °C – 4 minutes lors de la phase plateau de stérilisation, de l’ordre de :

  • 2100 W de la ligne de distribution de vapeur, de la double enveloppe, …
  • 500 W au niveau des portes fermées et 1 400 W portes ouvertes.
  • 800 W au niveau du générateur de vapeur.

Les déperditions annoncées sont importantes sachant que ce même constructeur annonce une épaisseur d’isolant de laine minérale comprise entre 3 et 8 cm.

En introduisant différentes valeurs d’épaisseur d’isolant dans le module de calcul des déperditions d’un volume simplifié cylindrique ou parallélépipédique avec les données suivantes :

  • Un volume de 6,2 m³ (valeur approchée du volume de la chambre de stérilisation dans l’ambiance technique sans compter les portes qui donnent dans l’ambiance de travail).
  • La paroi interne est portée à une température de 134 [°C].
  • L’ambiance autour du cylindre doit rester à 28 [°C].
  • Le coefficient d’échange superficiel a été pris égal à 10 [W/K.m²] (source AICVF).

On en retire sur le graphique suivant les valeurs des températures des parois et les déperditions :

Calculs 

Pour en savoir plus sur le calcul de la température de paroi,

On en déduit que pour une épaisseur de 2 cm de laine minérale les déperditions sont de l’ordre de 1 213 [W] pour une température de paroi externe de 44 [°C].

Le constructeur annonçant des épaisseurs d’isolant (3-8 cm) et des déperditions (2 100 W) plus importantes que celles déterminées par le module de calcul, il est nécessaire d’être prudent dans le choix des paramètres :

  • De la surface de déperdition (une enveloppe parallélépipédique est renforcée par des raidisseurs qui agissent comme autant d’ailettes de déperdition et empêchent une isolation correcte de l’ensemble de la surface).
  • Du coefficient d’échange superficiel qui varie beaucoup selon que l’ambiance de l’espace technique est ventilée de manière forcée ou pas.

De plus, beaucoup de tuyauteries et de vannes sont connectées à la cuve de stérilisation et augmentent artificiellement la valeur de la surface déperditive. Ces équipements techniques, dans la pratique étant difficiles à isoler, il ne faut pas s’étonner d’arriver à des puissances de déperdition de l’ordre de 2 100 [W].

      

L’impact de l’épaisseur de l’isolant est important et influencera le choix de la ventilation de l’espace technique. En général, ce sont des espaces surchauffés, mal ventilés, jouant à terme des tours à l’électronique de régulation des stérilisateurs. Pour cette raison, la réaction habituelle est de prévoir une extraction vers l’extérieur.

Pensez d’abord à prévoir une isolation correcte des équipements !

Ensuite, pourquoi ne pas prévoir dans le projet une valorisation des calories produites par les déperditions résiduelles par leur réinjection durant les périodes froides dans des espaces à proximité ne nécessitant pas une qualité d’air semblable à celle d’une stérilisation centrale (quais fournisseurs par exemple).

Malheureusement, pendant les périodes chaudes (mais heureusement limitées), les calories devront être extraites de la zone technique vers l’extérieur.


Isolation des portes

Les portes, que ce soit du côté propre ou stérile, sont des parois déperditives qui risquent dans la plupart des cas de nuire au confort des occupants; elles conduisent souvent à la revendication de climatisation des zones de travail. Mais il est difficile, dans ce cas, de demander au constructeur d’augmenter son épaisseur d’isolant et, par conséquent, son épaisseur de porte (d’autres contraintes techniques limitent la marge de manœuvre).

La limitation des déperditions sera plutôt recherchée dans la gestion des temps d’ouverture des portes. En effet :

  • Le constructeur, pris dans l’exemple ci-dessus, évalue les déperditions au travers des portes à 500 W par stérilisateur. Dans le cas d’une stérilisation centrale équipée de 4 stérilisateurs, les déperditions montent à une valeur de 2 000 W été comme hiver.
  • Lorsque les portes sont ouvertes, le constructeur annonce une envolée des déperditions de 500 W à 1 400 W par stérilisateur.

On voit bien la nécessité, lors du projet de conception, de prévoir dans le cahier des charges la possibilité via une commande spéciale au niveau de l’automate de refermer les portes le plus rapidement possible après la sortie de la charge stérile.

Tout dépend aussi de la surcharge de travail des utilisateurs. On voit régulièrement en zone stérile des portes ouvertes pendant un certain temps car personne n’est disponible pour décharger l’autoclave. Une amélioration consiste à placer un déchargement automatique avec fermeture directe des portes après la sortie de la charge.