Bilan énergétique d’un cycle de stérilisation

Durant un cycle de stérilisation, la vapeur produite par le générateur de vapeur sert normalement à chauffer et à “mouiller” la charge à stériliser. Malheureusement, comme dans tout système thermique, il y a des pertes. En effet :

• Vu que les isolations du générateur, de la distribution, de la double enveloppe, …, ne sont pas parfaites, ces équipements soumis à des températures internes élevées perdent de la chaleur avec l’ambiance.

• Des condensats se forment car la vapeur se condense au contact des parois du système et par échange de chaleur avec la charge à stériliser. Ces condensats sont, en grande partie, évacués par la pompe à vide ou par les purgeurs automatiques et, s’ils ne sont pas récupérés, constituent une perte importante que l’on envoie à l’égout.

Si l’on prend le système dans sa globalité, d’autres pertes sont présentes aussi au niveau de la pompe à vide qui transforme l’énergie électrique en chaleur de compression de la vapeur et en déperditions calorifiques à travers ses parois.

Pour évaluer le bilan énergétique d’un système de stérilisation, il est nécessaire de connaître les différentes pertes.

Le tableau suivant se base sur des données fournies par un constructeur d’autoclave. Il va permettre d’évaluer l’importance énergétique de la récupération des condensats et de l’isolation thermique des équipements.

Fiche de données concernant un autoclave 8 DIN (de l’ordre de 600 litres de volume intérieur)
Description		Consommations	Unité	Remarques
Vapeur		13	kg/cycle
Eau de refroidissement de la pompe à vide	sans recyclage	216	litres/cycle	Temp. 15°C
	circuit semi-fermé	188	litres/cycle
	circuit fermé	16	litres/cycle
Condensats perdus	sans recyclage	229	litres/cycle	Temp. maximum des condensats 70°C
	circuit semi-fermé	201	litres/cycle
	circuit fermé	29	litres/cycle
Pertes des parois	double enveloppe	2,1	kW
	chambre porte fermé	0,5
	chambre porte ouverte	1,4
	générateur	0,8
Électricité générateur		8,6	kWh/cycle
Électricité pompe à vide		2,2	kW

Enfin, on estime les durées des phases sur base d’un cycle pratique raisonnable (avec un temps de phase plateau de 10 minutes) :

Évolution de la pression et de la température de la chambre de stérilisation durant un cycle.

Durée moyenne des phases de stérilisation
Phases	Durée estimée en % de cycle
Prétraitement	33
Plateau de stérilisation	33
Séchage	33
Fonctionnement de la pompe à vide	50

Les durées des phases de stérilisation sont en constante évolution et dépendent des services de stérilisation centrale. Alors que le cycle théorique pour une température de 134 °C est de 3 minutes, on assiste à une augmentation importante des temps de la phase plateau. Certains services de Stérilisation Centrale n’hésitent pas à recommander des valeurs de temps de plateau de stérilisation de l’ordre de 18 voire 20 minutes; ce qui accroît sensiblement les temps de cycle mais aussi les consommations.

Pendant toute la durée d’un cycle, des condensats se forment dans les différents équipements de l’installation de stérilisation. Pour établir le bilan énergétique, il est nécessaire de les différencier car certains condensats sont récupérables et d’autres pas.
Les condensats formés dans :

• Le générateurs sont automatiquement récupérés,
• la distribution et la double enveloppe, ne sont pas nécessairement récupérés (dépend de l’option prise par le constructeur),
• la chambre de stérilisation, sont mélangés avec le grand débit d’eau froide de la pompe à vide et sont perdus sous forme d’effluents puis mis à l’égout parce que contaminés.

L’énergie résiduelle contenue dans les condensats est faible par rapport à celle contenue dans la vapeur et, par conséquent, difficilement valorisable (on passe de 2 727 [kJ/kg] à 568 [kJ/kg], soit une perte de 80 % de l’énergie initiale).

Condensats dans le générateur

S’il y a formation de condensats dans le générateur c’est seulement en tout début ou en fin de journée lorsque les parois du générateur sont froides ou se refroidissent. En cours de journée, lorsque la masse de l’enveloppe du générateur a accumulé la chaleur, sans injection de vapeur dans la chambre de stérilisation, les pertes à travers les parois se traduisent par la nécessité d’un appoint de chaleur mais pas ou peu d’appoint d’eau.

Soit : condensats = h”vapeur à 3 bar 134°C – h’eau à 3 bar 134°C = 2 727 [kJ/kg] – 568 [kJ/kg] condensats = 2 159 [kJ/kg] Or le tableau ci-dessus nous donne des pertes au travers des parois du générateur de l’ordre de 0,8 [kW]. On estime l’appoint d’eau nécessaire pour équilibrer les déperditions calorifiques à travers les parois à : mcondensats_g = Pertes parois / Qcondensats mcondensats _g = 0,8 [kW] x 0.75 [h] x 3 600 [s/h]  / 2 159 [kJ/kg] mcondensats_g est de l’ordre de 1 [kg] à 134 [°C] En rappelant que cette quantité de condensats est récupérée dans le générateur.

Condensats dans la distribution et la double enveloppe

Le système de distribution de stérilisation est conçu de manière à récupérer les condensats par gravité vers les points de purges ou vers le générateur :

• Dans le cas d’une récupération des condensats (par gravité ou via une pompe à condensats ) vers le générateur, il n’y a pas de perte d’eau et on récupère l’énergie résiduelle (très faible).

• Dans le cas contraire, non seulement il faudra un appoint d’eau mais aussi un surplus d’énergie pour compenser l’énergie résiduelle perdue avec les condensats mis à l’égout.

Dans le cas étudié ici, les condensats de la distribution et de la double enveloppe sont évacués directement à l’égout. L’énergie perdue à travers les parois correspond grosso modo à l’énergie nécessaire à la condensation de la vapeur.

Soit : Qcondensats = h”vapeur à 3 bar 134°C – h’eau à 3 bar 134°C = 2 727 [kJ/kg] – 568 [kJ/kg] Qcondensats = 2 159 [kJ/kg] Or le tableau ci-dessus donne des pertes au travers des parois de la double enveloppe de l’ordre de 2,1 [kW]. De plus la durée d’un cycle est de l’ordre de 0,75 [h] On estime la quantité de condensats perdus par déperdition calorifique au travers des parois à : mcondensats_de = Pertes parois / Qcondensas mcondensats _de = 2,1 [kW] x 0.75 [h] x 3 600 [s/h]  / 2 159 [kJ/kg] mcondensats _de = 2.6 [kg]

Condensats de la chambre de stérilisation

Les condensats dans la chambre de stérilisation se forment par échange thermique de la chaleur de la vapeur avec la charge à stériliser et les parois de la chambre. Ils sont évacués via la pompe à vide pendant les phases de prétraitement et de séchage. L’énergie initiale contenue dans la vapeur d’eau préparée par le générateur est donc perdue en partie:

• à travers les parois sous forme de condensats,
• dans la charge qui se réchauffe sous forme de condensats aussi,
• dans la vapeur occupant le volume de la chambre.

Exemple. Quelle est la quantité de condensats récoltés par la réchauffe d’une charge classique ? 8 conteneurs d’outils de chirurgie en acier inoxydable d’une masse de 6 kg/conteneur ont une chaleur massique de Ccharge = 0,5 [kJ/kg.°C]. A 134°C, la charge prend une énergie à la vapeur: Qcharge = mcharge x  Ccharge x ( Tvapeur – Tambiance) Qcharge = 48 [kg] x 0,5 [kJ/kg.°C] x (134  – 30) [°C] Qcharge = 2 496 [kJ] La chaleur prise par la charge à la vapeur est la chaleur de condensation à 3 bar et 134°C. Soit : Qcharge = h”vapeur à 3 bar 134°C – h’eau à 3 bar 134°C = 2 727 [kJ/kg] – 568 [kJ/kg] Qcondensats = 2 159 [kJ/kg] On en déduit la quantité de condensats due à l’échauffement de la charge : mcondensats = Qcharge / Qcondensas mcondensats = 2 496  [kJ] / 2 159 [kJ/kg] ou, mcondensats = 1,2 kg

Pour les charges de linge de chirurgie (vêtements de chirurgien, champs opératoires, …) on peut atteindre des consommations plus importantes. Pour le stérilisateur considéré ci-avant, un cycle moyen consomme 13 kg de vapeur qui se retrouve sous forme de condensats.

L’évacuation des condensats , si l’on ne met pas en place un système de récupération de chaleur sur la vapeur, a pour conséquence qu’une grande partie de l’énergie contenue dans la production initiale de vapeur est rejetée à l’égout. En effet, en fin de cycle, la vapeur issue du générateur, transitant dans la double enveloppe et dans la chambre de l’autoclave est aspirée par la pompe à vide et envoyée dans le séparateur. Dans cet équipement, la vapeur résiduelle est envoyée à l’atmosphère et la vapeur condensée mélangée à l’eau de l’anneau liquide à l’égout.

Il est donc nécessaire de mettre en place un système de récupération de la chaleur résiduelle de la vapeur et de quantifier la récupération possible de cette énergie.

On s’attarde ici sur la formation des condensats en fonction de la phase dans la chambre et en aval de celle-ci. Rappelons qu’un cycle est formé de 3 phases distinctes :

• le prétraitement,
• le “plateau” de stérilisation,
• le séchage.

1. Effet dans la chambre de stérilisation

La succession de vide et d’injection de vapeur a pour but d’enlever l’air de la chambre de stérilisation et de la charge et d’utiliser le pouvoir mouillant de la vapeur saturée afin de garantir une stérilisation optimale. Pendant cette phase, la vapeur injectée se condense en grande partie et cède sa chaleur de condensation :

• à l’ambiance à travers les parois des portes (dépendant de la qualité d’isolation),
• à la charge à stériliser.

À noter que la vapeur se condense très peu au contact de la paroi la séparant de la double enveloppe car celle-ci est à une température de contact de l’ordre de 134°C (l’acier étant un bon conducteur de la chaleur avec λ = 25 W/m.K).
Il est utile aussi de préciser qu’à chaque cycle :

• De vide, les condensats de fond de cuve sont évacués et ceux présents au sein d’une charge poreuse (linge par exemple) se vaporisent à nouveau et sont évacués sous forme gazeuse.

• D’injection de vapeur, toutes les masses en contact avec la vapeur se réchauffent pour se rapprocher de la condition de température de la phase de stérilisation; la vapeur cédant son énergie en condensant.

Lorsqu’on est en fin de prétraitement, la vapeur ne se condense pratiquement plus, si ce n’est que pour compenser la perte d’énergie à travers les parois.

Quelle est la quantité de condensats récoltée pendant le prétraitement et la stérilisation ? Si on considère que : La charge est constituée d’un équivalent de 40 kg d’eau sous 3 bar (cas d’une charge à forte chaleur massique: 4,18 kJ/kg.K qui ne se vaporise pas pour des températures > 100 °C). La durée d’un cycle moyen est de 0,75 [h]. Le volume de la chambre est de 0,6 m³. Les phases de prétraitement et de stérilisation sont constituées de 4 vides et de 4 injections de vapeur à 1 bar. La vapeur injectée dans la chambre ne se condense pratiquement pas au contact de la paroi de la double enveloppe (les températures de part et d’autre de la paroi séparant la double enveloppe de la chambre sont identiques). Température initiale de la charge est la température ambiante soit 25°C. 1er vide La pompe à vide évacue de l’air chaud. Ce vide a peu d’influence sur le bilan énergétique. Injection de vapeur De la vapeur à 1 bar 100°C est injectée. Elle échange sa chaleur de condensation avec la charge et les portes. Soit : Qcondensats _ch = h”vapeur à 1 bar – h’eau à 1 bar = 2 576 [kJ/kg] – 417 [kJ/kg] Qcondensats _ch = 2 160 [kJ/kg] En répétant le même exercice avec une pression de 3 bar : Qcondensats _ch = h”vapeur à 3 bar – h’eau à 3 bar = 2 727 [kJ/kg] – 561 [kJ/kg] Qcondensats _ch = 2 166 [kJ/kg] On constate que les chaleurs latentes de condensation sont + semblables et on ne se trompe pas en prenant les 2 159 [kJ/kg] comme référence. Ces 2 160 [kJ/kg] servent à réchauffer la charge depuis la température ambiante de 25 [°C] jusqu’à une température inconnue au cœur de la charge. Sachant que le but final, suite à la 4ème injection, est idéalement d’atteindre 134 [°C] au cœur de la charge (en pratique on n’y arrive pas), on considère les 4 injections comme une seule et même injection. Soit pour chauffer 40 [kg] d’un équivalent en eau de 25 [°C] à 134 [°C], il est nécessaire de condenser :  mcondensats _ch = mcharge x Ccharge x ΔT / Qcondensats _ch mcondensats _ch = 40 [kg] x 4,18 [[kJ/kg.K] x (134 – 25)  [°C] / 2 159 [kJ/kg] mcondensats _ch = 8,4 [kg] Une quantité supplémentaire d’énergie de condensation est nécessaire pour réchauffer les portes de la chambre qui échange avec l’ambiance. Or le tableau ci-dessus donne des pertes au travers des parois de la chambre de l’ordre de 0,5 [kW]. On estime donc l’appoint de vapeur nécessaire à équilibrer les déperditions calorifiques au travers des parois à : mcondensats _po = Pertes parois / Qcondensats _po mcondensats _po = 0,5 [kW] x 0.75 [h] x 3 600 [s/h]  / 2 159 [kJ/kg] mcondensats _po = 0,6 kg A chaque injection, comme on l’a vu, une partie de la vapeur se condense et l’autre reste à l’état de vapeur à 1 bar. Cette phase gazeuse occupe le volume de la chambre diminuée du volume de la charge. Si on considère que : La contenance de la chambre est de l’ordre de 0,6  [m³] diminuée du volume de la charge, soit 0.04 [m³]. La vapeur à 1  bar 100 °C a un volume massique v”de 1,7 [m³/kg] et de 0,6 [m³/kg] à 3 bar 134°C; A la fin des 3 premières injections, cela donne : mvapeur_123 = (0,6  [m³] – 0,04 [m³]) / 1,7 [m³/kg] mvapeur_123 = 3 x 0,33 = 1 [kg] En phase de stérilisation (4ème injection), pour maintenir le plateau, on a besoin de : mvapeur_4 = 0,56 [m³] / 0,6 [m³/kg] mvapeur_4 = 0,9 [kg] En phase de prétraitement et de stérilisation, on obtient une quantité totale de vapeur consommée. Sachant que : Les condensats formés dans le générateur n’interviennent pas (ils sont recyclés). Le tableau du constructeur nous donne 13 [kg] de consommation de vapeur par cycle. mvapeur  = mcondensats _de + mcondensats _ch + mcondensats _po + mvapeur_1234 mvapeur = 2,6 + 8,4 + 0,6 + 1 + 0,9 mvapeur = 13,5 [kg] A comparer avec les 13 [kg] de vapeur annoncés par le constructeur. Les étapes de vides successifs À partir du second vide jusqu’au 4ème inclu, la pompe aspire de la chambre à la fois de la vapeur initialement à 1 [bar] de pression et des condensats à  + 100 [°C]. En tout début de la phase de sèchage (5ème vide), on retire de la vapeur initialement à 3 [bar] et des condensats à + 134 [°C]. Ensuite, en amont de la pompe et dès l’instant où la pression diminue, il y a revaporisation d’une partie des condensats (flashing) et diminution de la température de la vapeur encore présente sous forme gazeuse (expansion du volume occupé par la vapeur).

 2. Effet dans la pompe à vide

Énergie de compression

Durant la compression d’un gaz, l’énergie utilisée pour la compression (énergie électrique du moteur d’entraînement) est pratiquement toute transformée en chaleur. Cette chaleur est absorbée par le liquide de refroidissement de la pompe (l’eau de l’anneau liquide) et évacuée.
Dans la pratique, on considère que 10 % de la quantité d’énergie fournie par la pompe est évacuée par le carter de la pompe vers l’ambiance; ce qui signifie que les 90 % de l’énergie restante sont transmis au liquide de refroidissement au niveau de l’anneau liquide :

Soit : La chaleur de compression Qcompression = 0,9 x Pélectrique de la pompe. Pour une pompe de 2,2 kW, on a : Qcompression = 0,9 x 2,2 [kW] = 1,98 kW La durée de fonctionnement de la pompe à vide est de l’ordre de 0,5 x durée du cycle. L’énergie de compression (produite dans l’eau de refroidissement) pendant 0,5 x 0,75 [h] (durée du cycle) est donc de l’ordre de 1 [kWh].

Bilan énergétique

A chaque période de fonctionnement de la pompe à vide, c’est un mélange de vapeur et d’eau (titre difficile à évaluer) qui traverse la pompe à vide :

• Les 4 vides successifs de la phase de prétraitement contiennent une grande majorité des condensats avec une phase vapeur (phénomène de flashing ou de revaporisation à faible pression en amont de la pompe).

• Le dernier vide (celui de séchage) ne retire pratiquement plus de condensats mais de la vapeur initialement à une pression de 3 bar. C’est à ce moment là qu’il faut être attentif à la température de fonctionnement de la pompe. Cependant, il faut toutefois faire remarquer qu’une basse pression en amont de la pompe (au fur et à mesure que le vide s’installe) réduit la température de la vapeur (pour 0,05 [bar] de pression, la température est de l’ordre de 24 [°C] en régime stable); ce qui signifie que l’on ne doit pas s’attendre à une température trop élevée au niveau de l’anneau liquide. Dans la pratique, c’est effectivement le cas.

En pratique, la pompe à vide ne peut être efficace que si la température de l’anneau liquide reste au-dessous d’une valeur raisonnable (de l’ordre de 35°C). De plus, le débit d’eau de refroidissement alimentant l’anneau liquide doit être limité en terme de consommation; ce qui signifie que la vapeur aspirée risque, par son enthalpie élevée au début de la phase de pompage :

• de compromettre la qualité du vide,
• d’induire des contraintes thermiques dans la pompe,
• de vaporiser localement l’anneau liquide.

Il est donc utile de diminuer la température de la vapeur, voire de la condenser. C’est pour cette raison que certains constructeurs placent un échangeur de chaleur avant la pompe à vide; le tout étant de récupérer la chaleur latente de condensation pour un autre process (réchauffer l’eau des thermo-laveur par exemple ?).

Il est possible de calculer approximativement dans quel état se trouve la vapeur en sortie de pompe à vide (sous forme vapeur ou condensée) en évaluant la valeur de l’enthalpie de sortie et en se basant sur les débits repris dans la fiche technique du constructeur. Phase de prétraitement Pendant la durée du prétraitement, un bilan d’énergie établi au niveau de la pompe donne : mliquide de refroidissement x h’eau à 15°C + mvapeur x  h”1 bar + mcondensats x  h’1 bar + Qcompression x 3 600 [s/h] = (mliquide de refroidissement + mcondensats + vapeur) x  h où : durée moyenne de pompage_prét.  = 0,4 x durée moyenne de pompage_tot. T°entrée liquide de refroidissement = 15 [°C] idéalement Qcompression = 1 [kWh/cycle] mvapeur_123 = 1 [kg] mcondensats _pav = 8,45 + 0,62 = 9 [kg] mliquide de refroidissement _tot.= 216 [kg] h’eau à 15°C = 63 [kJ/kg] h”1 bar = 2 675 [kJ/kg] h’1 bar = 417 [kJ/kg] On fait l’hypothèse que : la chaleur de compression est faible, la vapeur se condense dans la pompe à vide au contact de l’anneau liquide. Le bilan énergétique de la pompe donne : 216 [kg] x 0,4  x 63 [kJ/kg] + 1 [kg]  x 2675 [kJ/kg] + 9 [kg] x 417 [kJ/kg] = (0,4 x 216 [kg]  + 10 [kg]) x h Enfin, h = 123 [kJ/kg] c’est de l’eau Puisqu’il faut 418 [kJ/kg] de chaleur sensible pour atteindre 100 [°C], 123 [kJ/kg] correspondent à 29  [°C]. Phase de séchage Pendant la durée du séchage, l’égalité des énergies d’entrée et de sortie au niveau de la pompe donne: mliquide de refroidissement x h’eau à 15°C + mvapeur x  h”3 bar  + Qcompression x 3 600 [s/h] = (mliquide de refroidissement + m vapeur) x  h où : durée moyenne de pompage_séch.  = 0,6 x durée moyenne de pompage_tot. T°entrée liquide de refroidissement = 15 [°C] idéalement Qcompression = 1 [kWh/cycle] mvapeur_4 = 0,9 [kg] mliquide de refroidissement _tot.= 216 [kg] h”3 bar = 2 726 [kJ/kg] On fait l’hypothèse que : La chaleur de compression est faible, qu’il n’y a plus de condensats dans la chambre, la vapeur se condense dans la pompe à vide au contact de l’anneau liquide. On a l’égalité des énergies entrantes et sortantes dans la pompe : 216 [kg] x 0,6  x 63 [kJ/kg] + 0,9 [kg]  x 2726 [kJ/kg] = (0,6 x 216 [kg]  + 0,9 [kg]) x h Enfin : h = 81 [kJ/kg] c’est de l’eau qui sort Soit de l’eau à 20°C.

Ce bilan permet d’évaluer l’importance des différentes pertes du système de stérilisation.

Calcul

Sur la base du tableau du constructeur, on compare les niveaux d’énergie d’entrée et de sortie du système de stérilisation. Au vu des résultats précédents, on fait l’hypothèse que : La température de sortie du liquide de refroidissement ne dépasse pas 35 [°C] (petite marge de sécurité par rapport à 29°C : dans la pratique, les températures peuvent être un peu plus hautes). Les condensats de la double enveloppe ne sont pas récupérés. La chaleur de compression est faible. (meau_gén. + mliquide de refroidissement) x h’eau à 15°C + mvapeur x  (h”3 bar – h’eau à 15°C) = (mliquide de refroidissement + mcondensats _ch + mcondensats _po + mvapeur_1234) x h’eau à 35°C + mcondensats _de x h’3 bar + Pertesparois + Erésiduel_ch. où : duréemoyenne_cycle  = 0,75 [h] durée moyenne de pompage_tot.  = 0,5 x duréemoyenne_cycle T°entrée liquide de refroidissement = 15 [°C] idéalement Qcompression = 2,2 [kW] x 0,75 [h] x 0,5 = 0,82 [kWh] mvapeur = 13 [kg] mcondensats = 8,45 + 0,62 = 9 [kg] mliquide de refroidissement = 216 [kg] h’eau à 15°C = 63 [kJ/kg] h’eau à 35°C = 150 [kJ/kg] h”1 bar = 2 675 [kJ/kg] h”3 bar = 2 726 [kJ/kg] h’1 bar = 417 [kJ/kg] h’3 bar = 561 [kJ/kg] Le bilan énergétique dans la pompe donne : (13 + 216) [kg] x 63 [kJ/kg] + 13 [kg]  x 2726 [kJ/kg] + 0,82 [kWh] x 3 600 [s/h] = (216 + 8,4 + 0,6 + 1 + 0,9) [kg]  x 150 [kJ/kg] + 2,6 [kg] x 561 [kJ/kg] + (2,1 + 0,8 + 0,5) [kW] x 0,75 [h] x 3 600 [s/h]  + Erésiduel_ch. Enfin, Erésiduel_ch. = 2,25 [kWh] On peut résumer le bilan énergétique dans le tableau suivant : Bilan global t° effluents: 35 °C t° effluents: 28 °C Énergies en entrée kWh/cycles % kWh/cycles % Générateur 10 68 10 68 Pompe à vide 4,6 32 4,6 32 Énergies en sortie kWh/cycles kWh/cycles Mélange condensats et liquide de refroidissement 9,4 64 7,4 50 Condensats de la double enveloppe 0,4 4 0,4 4 Pertes des parois 2,5 17 2,5 17 Chaleur résiduelle de la charge et de la cuve vers l’ambiance 2,2 15 4,2 29

Conclusions

• On voit qu’une grande partie de l’énergie de départ est perdue dans les effluents de la pompe à vide sous forme d’un mélange de condensats , de liquide de refroidissement et de vapeur.

• Suivant la capacité de la charge stérilisée à accumuler l’énergie de la vapeur, les proportions d’énergie perdue peuvent changer (réduction de la température des effluents: 28 °C au lieu de 36 °C).

• L’énergie perdue dans les effluents est difficilement valorisable (basse température) puisqu’il n’y a plus de chaleur latente.