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Outil d'aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire. Réalisé par Architecture et Climat, Faculté d'architecture, d'ingénierie architecturale, d'urbanisme (LOCI), site de Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Belgique avec le soutien de la Wallonie.

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Category Archives: Stérilisation

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Intermittence des cycles de stérilisation

Intermittence des cycles de stérilisation

Image de l’économie : la température intérieure

La consommation d’un stérilisateur est proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur des équipements sous pression de vapeur. Plus cette différence diminue, moins on consommera.

Graphiquement, on peut représenter la consommation de vapeur comme suit :

Images des déperditions sans intermittence et avec intermittence.

On voit donc que plus la température intérieure chute et plus le temps pendant lequel cette température est basse est important, plus l’économie d’énergie réalisée grâce à l’intermittence est importante.

Paramètres influençant l’économie par intermittence

Si l’installation est coupée pendant les intercycles, quelles seront les économies engendrées ? La figure ci-dessous résume les différents paramètres qui influencent le bilan thermique.

L’économie est fonction du degré d’isolation

Plus l’enveloppe extérieure est isolée moins le transfert de chaleur de la vapeur vers l’ambiance de la zone technique sera aisé. La température de la vapeur aura tendance à rester stable et les économies seront faibles.

L’économie est fonction de l’inertie du système

Imaginons un système très inerte : la température intérieure chutera peu durant la coupure d’intercycle car beaucoup de chaleur s’est accumulée dans l’acier inoxydable. Les économies seront faibles.

L’économie est fonction de la durée de coupure

Une coupure de nuit est beaucoup plus efficace qu’une coupure d’intercycle.

L’économie est fonction du sur-dimensionnement du générateur

Si l’installation est très puissante (générateur et double enveloppe de faible volume), la relance en fin d’intercycle pourra se faire en dernière minute et donc la température intérieure pourra descendre plus bas durant la coupure.

Température interne des équipements

Maintien d’une consigne de température au générateur

Le gain énergétique provient de la diminution des déperditions d’intercycle. Et donc, plus la température intérieure du système de stérilisation descendra, plus l’économie augmentera. Néanmoins, il ne faut pas descendre sous une température de 100°C (sauf pendant la nuit) afin de maintenir le système sous pression (aux alentours de 1 bar) et, par conséquent, de réduire l’alternance de régimes stables et transitoires qui nuit à la pérennité de l’installation (fatigue et stress du métal, risque de fuite aux connexions).

Coupure du générateur

Au début d’un intercycle, lorsque le générateur est coupé, la vapeur sous pression dans la double enveloppe (3 bar – 134 °C) se refroidit au contact des parois et des condensats se forment. La quantité de vapeur résiduelle diminuant dans un volume quasi constant, un vide s’installe. Des casse-vide sont donc nécessaires pour éviter de noyer les équipements par l’aspiration de l’eau du générateur. Cela se matérialise par l’entrée d’air ambiant (à 30 °C) qui contribue à refroidir d’avantage l’intérieur des équipements permettant de réduire les déperditions pendant l’intercycle.

Diffusivité et Effusivité des matériaux

En régime variable (dynamique), le comportement des matériaux accumulant et restituant la chaleur dépend, entre autres, de deux caractéristiques physiques liées à une combinaison de leur :

  • masse volumique ρ[kg/m³];
  • conductivité thermique λ [W/m.K];
  • chaleur massique c [kJ/kg.K]

Diffusivité thermique

La vitesse avec laquelle la température d’un matériau évolue est liée par la relation suivante :

a = λ / (ρ x c) [m²/s]

Plus sa valeur est grande, plus elle s’échauffe et se refroidit vite.

Effusivité thermique

La quantité de chaleur qu’il faut fournir au matériau pour élever sa température est liée par la relation suivante :

Eff = (λ x ρ x c)1/2 [J/m².K.s1/2]

Plus sa valeur est grande, plus il faudra de l’énergie pour parvenir à le réchauffer.

Quelques matériaux

Le tableau suivant donne quelques valeurs de diffusivité et d’effusivité pour différents matériaux :
Matériau ρ [kg/m³] a [10-7m²/s] Eff [J/m².K.s1/2]
Acier 7 800 148 11 700
laine minérale 30 13 36
Polystyrène extrudé
 25 9 35
Le cas de l’acier est intéressant dans le sens où il possède à la fois une grande diffusivité a et une grande effusivité Eff :
  • À la réchauffe, il est capable de s’échauffer rapidement au contact de la vapeur (la température de la double enveloppe est vite à + 134 °C) et, par la même occasion, d’emmagasiner de l’énergie en condensant beaucoup de vapeur (la vapeur cède sa chaleur latente); il faut donc une quantité d’énergie importante pour réchauffer la double enveloppe mais cela se fait rapidement.
  • À l’inverse, lors de la coupure d’intercycle ou du soir, l’acier de la double enveloppe se comporterait, s’il n’y avait pas d’isolant extérieur, comme un gros réservoir d’énergie cédant sa chaleur rapidement à l’ambiance. La seule présence d’isolant ne fait que retarder le refroidissement de la double enveloppe.

Période de refroidissement et de réchauffe

Refroidissement

À l’instant t0 de fin de cycle, le couple vapeur-acier échange sa chaleur avec l’ambiance à travers l’isolant. Pour valoriser l’intermittence, c’est à ce moment que l’on décide de couper la source de chaleur du générateur. Il est difficile de dire quel sera le temps qu’il faudra au couple pour que sa température interne passe de 134 à 100 °C. La modélisation de ce temps devrait tenir compte :

  • de la variation d’enthalpie de la vapeur au court du temps;
  • de la chaleur massique de l’acier;
  • de l’importance de l’énergie interne de la vapeur (en fonction de sa masse) par rapport à celle stockée dans l’acier;
  • …

Dans l’exemple qui suit, on tente de simplifier le modèle :

Soit quelques données :

  • mdouble enveloppe  = 200 [kg];
  • Tde0 = 134 [°C];
  • cacier = 500 [J/kg.K]
  • h »vapeur à 3 bar 134°C  = 2 727 [kJ/kg];
  • déperditionsde = 2 100 [W] (ces déperditions tiennent compte de l’isolant autour de l’acier);
  • volume de la double enveloppe estimé à Vde = 0,047 [m³];
  • volume massique de la vapeur à 134[°C] v »134°C = 0,6 [m³/kg];
  • L’ambiance de la zone technique est à une température de l’ordre de Tamb0 = 28 [°C] et reste constante.

On considère que, suite à la coupure de la source de chaleur à l’instant t0, les déperditions vers l’ambiance de la zone technique entrainent le refroidissement de la masse de la double enveloppe et de la vapeur.

Comme représenté dans le graphe (s,T) suivant, la vapeur se refroidit à volume constant. Si on considère que l’on doit maintenir 100 [°C] dans la double enveloppe (réduire les contraintes thermiques et mécaniques), la vapeur est partiellement condensée après un certain temps et garde une enthalpie de l’ordre de 1 500 [kJ/kg]. Ce que nous ignorons, c’est après combien de temps elle sera dans cet état.

Si on compare l’enthalpie de la masse de vapeur présente dans la double enveloppe et l’énergie emmagasinée dans l’acier, on se rend compte que le problème se simplifie car l’acier a emmagasiné beaucoup plus d’énergie que la vapeur (dû à sa faible masse) :

L’énergie stockée dans l’acier est de l’ordre de :

Eacier =  cacier  x mdouble enveloppe  x  (Tde0 – Tamb0)  

= 

500 [J/kg.K] x 200 [kg] x ( 134 [°C] – 28 [°C])

Eacier = 10 600 [kJ]

L’énergie de la vapeur est de l’ordre de :

Evapeur =  h »vapeur à 3 bar 134°C  x Vde / v »134°C

=

2 727 [kJ/kg] x 0,047 [m³] / 0,6 [m³/kg]

Evapeur = 213 [kJ]

Le rapport des énergies internes de la vapeur et de l’acier à l’instant t0 est de l’ordre de 50; ce qui signifie que l’état de refroidissement de la vapeur est dicté par la masse d’acier qui échange sa chaleur avec l’ambiance à travers l’isolant.

Ce refroidissement suit une loi exponentielle décroissante :

T(t) = Tamb + Δ T x e-t/τ

avec :

τ = mdouble enveloppe x  cacier /  (kS / Δ T)

(avec kS / Δ T =  déperditions de/ Δ T)

τ = 200 [kg] x 500 [J/kg.K] /  (2 100 [W] / 106 [°C])

τ = 5 048 [s]

ou τ = 84  [min]

La courbe suivante montre la décroissance de la température pendant la durée de l’intercycle :

Réchauffe

Il est intéressant de savoir quand il faut effectuer la relance avant un nouveau cycle. Cet intervalle de temps peut être évalué :

Soit les mêmes données :

  • Tde0 = 134 [°C];
  • mdouble enveloppe  = 200 [kg];
  • cacier = 500 [J/kg.K]
  • h »vapeur à 3 bar 134°C  = 2 727 [kJ/kg];
  • déperditionsde = 2 100 [W];
  • Puissance du générateur = 40 [kW];
  • volume de la double enveloppe estimé à Vde = 0,047 [m³];
  • volume massique de la vapeur à 134[°C] v »134°C = 0,6 [m³/kg];
  • L’ambiance de la zone technique est à une température de l’ordre de Tamb0 = 28 [°C] et reste constante.

La réchauffe en fin d’intercycle nécessite de fournir de l’énergie :

  • à la vapeur pour qu’elle atteigne à nouveau les 3 [bar] de pression.

Δh1 =  (h »vapeur à 3 bar 134°C – hvap_refroidie)  x Vde / v »134°C

(2 727 [kJ/kg] – 1 500 [kJ/kg]) x 0,047 [m³] / 0,6 [m³/kg]

Δh1 =  96 [kJ] 

  • à l’acier pour ramener sa température à 134 [°C] et assurer sa fonction de réchauffe de la chambre de stérilisation.

ΔE =  E acier à 134 °C  – Eacier à 100 °C = 10 600 [kJ] – 7 200 [kJ]

ΔE =  3 400  [kJ]

  • pour compenser les déperditions, soit 2 100 [W].

L’énergie doit être fournie par le générateur de 40 [kW] (valeur courante de puissance).

On en déduit que le temps de remontée en température dépend surtout du réchauffement de la double enveloppe :

T(t) = Tint + Δ T x (1-e-t/τ)

avec  :

  • Tint = 100 [°C];
  • Δ T =  34 [°C];
  • kS / Δ T =  (Pgénérateur – déperditionsde) /Δ T)

    kS / Δ T = (40 000 – 2 100) [W] / 34 [°C]) = 1 115 [W/K];

  • τ = mdouble enveloppe x  cacier /  (kS / Δ T) τ

    τ = 200 [kg] x 500 [J/kg.K] / 1 115 [W/K] = 90 [s]

La courbe suivante montre la croissance de la température à la fin de l’intercycle :

On voit que la réchauffe est très rapide et qu’il n’est pas nécessaire de trop anticiper avant le démarrage du second cycle.

Il serait intéressant, dans la pratique, de mesurer ces temps afin de se rendre compte de l’intérêt de couper le générateur de vapeur ou de maintenir la température d’intercycle légèrement au-dessus de 100 °C.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Bilan énergétique d’un cycle de stérilisation

Bilan énergétique d'un cycle de stérilisation

Préliminaire

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.

Condensats formés dans les équipements

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.

Condensats formés suivant la phase du cycle

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.

Bilan énergétique total

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.

Comparaison des cycles de récupération

Au vu du bilan évalué ci-dessus, si des dispositifs de récupération du mélange des condensats et du liquide de refroidissement ne sont pas prévus, 50  à 68 % de l’énergie initiale est mise à l’égout. Malheureusement, ces effluents ont encore peu de valeur énergétique (faible température). Néanmoins, les constructeurs proposent donc des systèmes de récupération sur le liquide de refroidissement de la pompe à vide pour juste réduire les seules consommations d’eau.

Dès lors, il est intéressant de comparer les différents systèmes de récupération de chaleur sur le liquide de sortie de la pompe à vide par rapport au circuit ouvert où l’on ne récupère rien.

Circuit ouvert

À partir des chaleurs de compression de la pompe à vide et de celles échangées avec l’anneau liquide sous forme de condensation de la vapeur résiduelle et du mélange des condensats issus de la chambre, il est possible de connaître la température moyenne du mélange à la sortie de la pompe à vide pendant un cycle.

À noter que l’on fait une simplification : la vapeur issue de la chambre de stérilisation est entièrement condensée; ce qui n’est pas tout à fait vrai en pratique :

  • Au début de la phase de séchage, lorsque la pompe à vide démarre, elle voit passer une certaine quantité de vapeur qui se mélange à l’anneau liquide ne se condense que partiellement. Dans le séparateur, la vapeur est à 1 bar 100°C et évacuée à l’atmosphère (énergie noble à haute valeur ajoutée difficilement récupérable).
  • En cours et en fin de phase de vide, la vapeur résiduelle est directement condensée et mélangée au liquide de refroidissement.

Circuit ouvert .

Soit :

T°sortie condensats = T°entrée liquide de refroidissement +

(Qcompr. + mcondensats x h’1bar + mvapeur_123 x (h »1bar – h’1 bar)  + mvapeur_4 x (h »3 bar – h’1 bar) )

/ mliquide de refroidissement  x Cpliquide de refroidissement )

Où :

  • durée d’un cycle = 0,75 [h]
  • T°entrée liquide de refroidissement = 15 [°C] idéalement
  • Qcompression = 0,54 [kWh/cycle]
  • mcondensats = 9 [kg/cycle]
  • m vapeur_123 = 1 [kg/cycle]
  • m vapeur_4 = 0,9 [kg/cycle]
  • mliquide de refroidissement = 216 [kg/cycle]
  • Cpliquide de refroidissement = 4,18 [kJ/kg.K]
  • 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]

On a donc :

T°sortie = 15 [°C] + (0,74 [kWh] x 3 600 [s/h]  + 9 [kg] x 417 [kWh/kg] + 1 [kg] x (2675 – 417) [kWh/kg] + 0,9 [kg] x (2726 – 417) [kWh/kg]) / (216 [kg] x 4,18 [kJ/kg.K])

D’où,

T°sortie = 15 [°C] + 12 [°C] = 27 [°C]

Il ne faut pas oublier que c’est une température moyenne sur un cycle; ce qui signifie que l’on pourrait avoir des températures plus importantes temporairement. Par exemple, en début de phase de sèchage, on risque de se retrouver avec de la vapeur pure en contact avec l’anneau liquide et, par conséquent, de momentanément réduire les performances de la pompe. Cependant, il faut nuancer ces derniers propos car c’est vrai que la vapeur est présente mais à faible pression et, par conséquent, à température réduite.

Récupération en circuit semi fermé

Circuit semi fermé.

Dans ce type de circuit, à la sortie du séparateur on récupère une partie des effluents que l’on mélange à un appoint de liquide de refroidissement en amont de la pompe à vide. A noter que la quantité d’eau froide d’appoint correspond à celle évacuée à l’égout.

Ce système permet de gagner quelques litres d’eau du liquide de refroidissement.
L’optimum au niveau du débit d’appoint passe par la relation :

Débitappoint = Débitliquide de refroidissement x (T°sortie condensats – T°entrée liquide de refroidissement ) / (T°sortie condensats – T°appoint)

Considérons la pompe à vide prise comme exemple plus haut. La qualité du vide dépend de la température moyenne du l’eau de refroidissement. En effet, plus la température de l’anneau liquide est élevée moins le vide est poussé.

Pour un même débit de liquide de refroidissement dans la pompe à vide, si on se limite à une valeur de température de l’anneau liquide de 20°C, il est nécessaire de recalculer la température de sortie de la pompe à vide.

On a donc :

T°sortie = 20 [°C] + (0,74 [kWh] x 3 600 [s/h]  + 9 [kg] x 417 [kWh/kg] + 1 [kg] x (2675 – 417) [kWh/kg] + 0,9 [kg] x (2726 – 417) [kWh/kg]) / (216 [kg] x 4,18 [kJ/kg.K])

D’où,

T°sortie = 20 [°C] + 12 [°C] = 32 [°C]

On en déduit le débit d’appoint :

Débitappoint = 0,216 [m³/cycle] x (32 [°C] – 20 [°C]) / (32 [°C] – 15 [°C])

Débitappoint = 0,152 [m³/cycle]

Ce qui s’exprime par une réduction des débits d’appoint de liquide de refroidissement et de rejet des condensats . Soit une réduction de 30 % :

  • de la consommation d’eau de refroidissement,
  • des pertes d’énergie par rejet à l’égout.

Récupération en circuit fermé

Circuit fermé.

Certains constructeurs propose dans leur gamme standard un circuit où le liquide de refroidissement de la pompe à vide travaille en circuit fermé. A la sortie du séparateur, le liquide de refroidissement est refroidi dans un échangeur branché sur un circuit de climatisation par exemple.

Une autre possibilité pourrait être envisagée. Plutôt que de brancher l’échangeur sur un circuit de climatisation, pourquoi ne pas profiter de l’énergie résiduelle de sortie de la pompe à vide, certe faible, pour réchauffer la bâche tampon de la production d’eau osmosée.

Considérons la pompe à vide prise comme exemple plus haut.

Pour un même débit de liquide de refroidissement dans la pompe à vide, si on se limite à une valeur de température de l’anneau liquide de 20°C, on a vu que la température de sortie de pompe en moyenne avoisinait 32 [°C].

Pour calculer la puissance de l’échangeur nécessaire pour réduire la température de 32 [°C] à 20 [°C] de l’eau de l’anneau liquide, on doit évaluer :

  • mliquide de refroidissement = 229 [kg/cycle];
  • durée d’un cycle = 0,75 [h/cycle];
  • durée moyenne de pompage_tot.  = 0,5 x duréemoyenne_cycle
  • Cliquide de refroidissement = 4,18 [kJ/kg.K];
  • rendement d’un échangeur à plaque est de l’ordre de 95 %.

D’où la puissance de l’échangeur :

Péchangeur [kW] = Cliquide de refroidissement [kJ/kg.°C] x mliquide de refroidissement [kg/cycle] x

durée d’un cycle [h/cycle] x (Tentrée– Tsortie) [°C]

=

Péchangeur [kW] = 4,18 [kJ/kg.K] x 229 [kg/cycle]  x (32- 20) [°C] / (3 600 [s/h]  x 0,75 x 0,5 [h/cycle])

Péchangeur  = 8.5 [kW]

On en déduit le débit d’eau glacée au primaire :

meau glacée [kg/h] = Péchangeur [kW] / (Cliquide de refroidissement [kJ/kg.°C] x (tentrée– tsortie) [°C])

meau glacée  [kg/h] = 8.5 [kW]  x 3 600 [s/h] [s/h] / (4,18 [kJ/kg.K] x  5 [°C] x 0,95)

meau glacée  = 1 542   [kg/h] ou  1,5 [m³/h] ou encore 25  [l/min]

Avec :

  • Ceau glacée  = 4,18 [kJ/kg.K];
  • (tentrée– tsortie) = 5 [°C].

Ce qui ne représente pas grand chose comme énergie prise au circuit d’eau glacée.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Cycle de la vapeur de stérilisation

Cycle de la vapeur de stérilisation

Qualité de la vapeur d’eau

La stérilisation signifie la destruction totale de tous les micro-organismes présents dans la charge à stériliser tels que les spores, les bactéries, les virus, … Les micro-organismes les plus difficiles à combattre sont les bactéries sous forme de spores (cellule bactérienne au repos). La destruction complète des spores demande qu’ils deviennent humides et chauds (au dessus de 115°C).

On peut obtenir une stérilisation très efficace et bon marché en utilisant la chaleur humide de la vapeur saturée sèche. C’est la nature de la charge (caoutchouc, linge, plastique, instruments métalliques, …) qui détermine les valeurs :

  • de la température,
  • de la pression,
  • du temps de contact entre la vapeur et la charge à stériliser.

Le temps de stérilisation dépend de la température maintenue pendant la phase :

Température [°C] temps [min]
Temps théoriques
121 15
126 10
134 3
Temps minimums dans la pratique
121 20
126 15
134 10

Pendant cette phase, les paramètres de la vapeur doivent rester rigoureusement constants. Il y a donc lieu de contrôler la température et la pression en permanence selon la table de Regnault qui garantit le maintien de la qualité de la vapeur dans son état de vapeur saturée sèche pour autant qu’il n’y ait pas d’air dans la charge:

  • 1 bar correspond à 120.42°C,
  • 2 bar correspond à 133.69°C.

Enfin, on notera que sans une qualité d’eau exceptionnelle, il n’est pas garanti d’obtenir une vapeur idéale pour la stérilisation.

Thermodynamique de la vapeur d’eau

L’utilisation de la vapeur saturée comme agent stérilisant reste la principale référence dans le monde hospitalier.

Pour bien comprendre les enjeux de la stérilisation à la vapeur d’eau, il est nécessaire de rappeler certaines notions de thermodynamique :

Les diagrammes de Mollier (h,s) et (T,s) de la vapeur d’eau ou la table internationale de l’eau à saturation et de la vapeur d’eau saturante sèche sont souvent utilisés pour pouvoir déterminer l’état de l’eau ou de la vapeur.

Le diagramme (h,s) permet de déterminer rapidement les quantités de chaleur dégagées ou absorbées lors d’un changement d’état ou de phase.

Le diagramme (T,s) est très souvent utilisé car, d’une part, on visualise mieux les phénomènes de changement de phase et, d’autre part, il permet de mettre en évidence les énergies mises en jeu sous forme d’une aire; par définition l’entropie s étant égale à dq/T.

Un cycle de stérilisation

Les cycles de stérilisation sont nombreux. Néanmoins, le cycle repris dans le diagramme ci-dessous est celui que l’on rencontre le plus souvent en stérilisation de matériel hospitalier. Il se décompose principalement en 3 phases distinctes :

  • Le prétraitement où, par une succession de vide poussé et d’injection de vapeur, on enlève l’air de la chambre de stérilisation et on réchauffe petit à petit la charge à stériliser.
  • La stérilisation proprement dite.
  • Le séchage de la charge par une mise sous vide prolongée.

Phase de préchauffage d’un stérilisateur

Dans le cas de la stérilisation, lors de la mise en route du système avant le premier cycle, l’obtention de la vapeur d’eau saturée stérilisante (tvap = 134°C , pvap = 3 bar, titre x = 1) à partir d’eau à la température de l’eau de ville (conseillé 15°C) doit être décomposée en trois phases:

1ère étape : l’eau froide ( 15°C) est portée à ébullition et arrive à saturation

Lorsqu’on chauffe de l’eau à une pression constante de 1 bar (c’est le cas avant la production de vapeur) jusqu’à l’ébullition, la chaleur fournie sert uniquement à élever la température de l’eau. A la température de 100°C, les premières bulles de vapeur apparaissent; on est en présence de la phase liquide et d’un début de phase gazeuse. À ce moment, on introduit la notion de titre x en vapeur comme étant le rapport des quantités en masse de vapeur d’eau et d’eau liquide (x = 0 quand il n’y a que de l’eau et, à l’inverse, x = 1 quand l’eau a complètement cédé sa place à la vapeur).

La quantité de chaleur fournie à l’eau correspond à la variation d’enthalpie déterminée soit dans les tables internationales de la vapeur d’eau ou sur le diagramme de Mollier ci-dessus :

h’1 – h’0 = 419 – 67 = 352 kJ/kg

C’est de la chaleur sensible.

2ème étape : l’eau saturée passe à l’état de vapeur saturée humide

Un apport de chaleur supplémentaire fait passer l’eau à saturation (x = 0) à une vapeur saturée sèche (x = 1). Théoriquement, la tranformation se fait à température constante mais dans le cas d’une installation de stérilisation (générateur, distribution et double enveloppe de l’autoclave) on peut considérer que le volume est constant dans la phase de préchauffage du système; ce qui équivaut à dire qu’au fur et à mesure que le volume du système se remplit de vapeur la pression monte et agit sur la phase liquide en augmentant la température de vaporisation de 100 à 134°C pour une pression de 3 bar.

Le diagramme de Mollier nous donne une enthalpie de vaporisation de l’ordre de :

h »2 – h’1 = 2727 – 419 = 2 308  kJ/kg

C’est de la chaleur latente de vaporisation
On se rend compte tout de suite que la chaleur « latente » de la vapeur d’eau est beaucoup plus importante que la chaleur « sensible » de l’eau à saturation; ce qui lui donne un pouvoir stérilisant très important.

3ème étape : le système s’équilibre à une température de 134°C pour une pression de 3 bar

A ce stade, le faible apport de chaleur ne sert qu’à compenser les chutes conjuguées de la pression et de la température dues aux pertes de chaleur au travers des parois du système (générateur, distribution, accessoires, autoclaves, …).

Phase de prétraitement

La phase de prétraitement a pour but :

  • De remplacer tout l’air de la chambre de stérilisation, y compris l’air contenu dans la charge par de la vapeur. Lorsqu’il reste des poches d’air à proximité de spores (cellules bactériennes au repos redoutées en stérilisation et en milieu hospitalier de manière générale), celles-ci s’entourent d’une gangue d’air isolante et peuvent résister à la chaleur. Seul remède, le pouvoir mouillant de la vapeur qui détruit, en principe, toute forme de vie.
  • De réchauffer progressivement la charge à stériliser.

On crée ce prétraitement en arrivant à un vide assez poussé (de l’ordre de 30 mbar) de manière répétée par une pompe à vide à anneau liquide et en injectant entre chaque phase de vide de la vapeur tout en restant en dépression dans la chambre.

Au niveau du traitement de stérilisation proprement dit, l’injection de vapeur joue à deux niveaux en se condensant au contact des composants froid de la charge et de la chambre :

  • La condensation assure un pouvoir mouillant optimum nécessaire à la destruction des spores.
  • La chaleur de condensation est cédée à la charge et la réchauffe.

Chaque injection de vapeur s’accompagne naturellement d’une demande de vapeur au niveau du générateur; ce qui nécessite un apport supplémentaire de chaleur. Toute cette chaleur est perdue puisque la vapeur qui se condense sur des parois plus froides et sur la charge doit être évacuée à l’égout via la pompe à vide sous forme de condensats irrécupérables puisque « contaminés ».

À ce stade de la phase de prétraitement, il est très difficile de savoir où l’on se situe sur le diagramme (s,T) ne sachant quel est le titre de la vapeur dans la chambre de stérilisation. La seule manière de le savoir est de quantifier le volume de condensats soutiré par la pompe à vide; ce qui est loin d’être évident vu que, dans la pompe à vide, les condensats se mélangent avec l’eau adoucie de l’anneau liquide.

A la suite du dernier soutirage de vide, l’injection de vapeur est plus importante que les précédentes afin de se rapprocher au maximum des conditions de stérilisation (dans ce cas, 134°C, 3 bar). Tant que les paramètres de température et de pression ne se stabilisent pas aux valeurs requises, la phase « plateau » de stérilisation ne peut démarrer. La régulation des injections de vapeur prend à ce stage toute son importance.

Phase de stérilisation

Une fois atteint la température de stérilisation au cœur de la charge (par exemple 134°C, 3 bar), la phase « plateau » commence. Durant tout le temps que dure cette phase, les températures et pressions ne peuvent osciller que dans des fourchettes extrêmement étroites.

Comme indiqué précédemment, la durée du plateau de stérilisation dépend de la température de stérilisation.

Phase de séchage

La dernière phase du cycle de stérilisation est l’opération de séchage. Elle consiste, par un vide poussé prolongé, à évacuer au maximum la vapeur d’eau présente dans la chambre et dans la charge par une revaporisation de l’humidité contenue. Cette opération est délicate car la réussite de la stérilisation dépend de l’humidité résiduelle de la charge. Elle est, entre autre, dépendante du conditionnement préalable de la charge (présence de plastique, fond plat susceptible de garder l’eau emprisonnée, …) et du maintien de la chambre sous vide.

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