WO2011018592A1 - Procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur - Google Patents

Procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur Download PDF

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WO2011018592A1
WO2011018592A1 PCT/FR2010/051714 FR2010051714W WO2011018592A1 WO 2011018592 A1 WO2011018592 A1 WO 2011018592A1 FR 2010051714 W FR2010051714 W FR 2010051714W WO 2011018592 A1 WO2011018592 A1 WO 2011018592A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
fouling
signal
fluid
sensor
Prior art date
Application number
PCT/FR2010/051714
Other languages
English (en)
Inventor
Jonathan Crattelet
Laurent Auret
Luc Fillaudeau
Original Assignee
Neosens
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Neosens filed Critical Neosens
Publication of WO2011018592A1 publication Critical patent/WO2011018592A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/008—Monitoring fouling
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring or detecting the fouling of a reactor or a pipe containing a compressible or incompressible fluid in circulation.
  • These installations generally comprise a circulation of fluids (pump, agitation), conduits in which fluids circulate and may also include reactors (in the unitary operating sense as defined by the Industrial Process Engineering), for example parietal heat exchangers (conductive-convective transfer) are tubular or plate.
  • reactors in the unitary operating sense as defined by the Industrial Process Engineering
  • parietal heat exchangers conductive-convective transfer
  • the fouling of such installations can be detrimental insofar as it affects the performance of the unit operation and therefore of the entire process (for example, the drop in the global coefficient of heat exchange implies also a decrease in the energy efficiency of the process). Fouling of equipment leads to a deterioration of the performance of unit operations in terms of heat transfer, material or momentum.
  • This de-clogging has a significant economic cost since it is appropriate to include in the cost of maintenance operations the cost of the temporary shutdown of the operation.
  • bacteria can develop inside the network and the cooling circuit. This bacterial development is commonly in the form of a microbiological deposit called biofilm or biofouling. Similarly, a risk of contamination by Legionella (Latin name of the strain) is possible and statistically coupled to the drift of the thickness of the biofilm in the sense of the health risk assessment.
  • Hydraulic methods involve a measurement of the pressure drop generated along the process. The appearance of a deposit reduces the passage section and induces the increase of the pressure drop.
  • the thermal methods are based on the measurement of the overall exchange coefficient or, in the absence of a simple drift, of the logarithmic difference of the inlet and outlet temperatures of the primary and secondary fluids.
  • Document FR 2 885 694 discloses a method for locally and on-line measurement of fouling in a reactor or pipe that uses two temperature probes.
  • these two probes are introduced into a pipe respectively through two stitching points and one of these probes measures the temperature of the fluid, while the other probe measures the wall temperature of a heat generator.
  • this method it is made, first, to obtain a temperature difference between the wall temperature and the fluid temperature as close to zero as possible.
  • a heat generator emits a heat flux while the temperature difference between the temperature is measured over time the wall temperature and that of the fluid, the state of fouling of the reactor being determined from the measurement of this temperature difference.
  • the Applicant has found that the continued maintenance of a parietal overheating can be an additional cause causing the fouling.
  • this method does not make it possible to provide an accurate measurement of the thickness if the thermal properties of the fouling deposit are not known.
  • the present invention thus relates to a method for measuring or detecting the fouling of a container containing a fluid, the method comprising the following steps:
  • T w parietal temperature measurement element
  • This method provides information on the fouling of the container (eg reactor) through a measurement of a temperature response signal in response to a signal periodic excitation over time and therefore to a heat flux varying periodically over time.
  • This mode of operation is different from a mode where the heat flux is generated in a pulsating manner.
  • the temperature response signal and the excitation signal (just like the heat flux) have the same frequency and, in the presence of fouling, have a phase difference between them.
  • the heat capacity and / or the thermal conductivity can be determined provided that information on the thickness is available.
  • the information on the phase shift between the signals makes it possible, in turn, to detect the formation of a fouling (qualitative information). This is made possible by the tracking over time of the phase shift between the signals.
  • the method according to the invention involves only one temperature measurement signal.
  • the method comprises a step of determining the temperature of the fluid (T b ) from the temperature response signal.
  • the temperature of the fluid is determined from one or more of the minima of the temperature response signal.
  • Each minima provides timely information about the temperature of the fluid. Two consecutive minima make it possible to obtain the temperature of the fluid in the time interval considered, either by interpolation or, more generally, by modeling the temperature between these two extreme values.
  • the method comprises a step of measuring the temperature of the fluid (T b ) by a temperature measuring element placed in direct or indirect contact with the fluid and thermally insulated from the at least one heating element.
  • This additional temperature measuring element must indeed be thermally insulated from the heating element or, in any case, far enough away not to be influenced by the heat flow diffused.
  • the additional temperature measuring element provides a fluid temperature measurement at the desired instant (s) without having to wait for one or more periods of the temperature response signal to elapse.
  • a sensor with high thermal inertia has a longer response time and reduced sensitivity.
  • the temperature of the fluid is obtained more precisely. This avoids taking into account the noise associated with the fluid temperature variation.
  • the method comprises a step of forming the signal (T w - T b ).
  • the signal formed of temperature response makes it possible to overcome variations in temperature of the fluid.
  • the method comprises the following steps:
  • the processing step is also performed on the excitation signal, the determination step also leads to the determination of the phase shift of the temperature response signal (T w ) or the formed signal (T w - T b ) with the excitation signal.
  • the processing applied to the signals is a Fast Fourier Transform (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the method more particularly comprises a step of determining the fouling state and / or the thermal properties of the fouling as a function of the amplitude and / or phase shift thus determined.
  • a step of determining the fouling state and / or the thermal properties of the fouling as a function of the amplitude and / or phase shift thus determined.
  • Access to thermal properties of the fouling deposit such as thermal conductivity makes it possible to accurately measure the thickness.
  • the method comprises a step of selecting the frequency of the excitation signal as a function of the fouling and, more particularly, the deposition (thermal properties, thickness, nature of the deposit, etc.). Indeed, according to the fouling the inertia of the system (sensor of measurement and deposit) will be different. The method thus makes it possible to adapt the frequency of the excitation signal to the inertia of the system: with great inertia the frequency of the signal will be low and vice versa.
  • the excitation frequency is selected in a manner adapted to the thermal inertia of the sensor by comparison between the amplitude of the temperature response signal and the temperature difference measured in steady state thermal regime (RTP), the sensor of fouling comprising the temperature measuring element (T w ), said at least one interface element when provided, and said at least one heating element to which the excitation signal is applied.
  • RTP steady state thermal regime
  • the excitation frequency is selected in a manner adapted to the thermal inertia of the sensor by choosing among several frequencies that which leads to a high temperature response signal amplitude, the fouling sensor comprising the temperature measurement (T w ), said at least one interface element when provided, and said at least one heating element to which the excitation signal is applied.
  • the heat flux is selected as a function of the desired sensitivity for the sensor and is even higher than the desired sensitivity is high, without however causing excessive wall overheating, the fouling sensor comprising the element temperature measuring device (T w ), said at least one interface element when provided, and said at least one heating element to which the excitation signal is applied.
  • the temperature measuring element (T w ), said at least one interface element when provided, and said at least one heating element are part of a fouling sensor which is installed in a wall of the container (reactor) in contact with the fluid.
  • the fouling sensor is mounted flush with respect to the wall of the container. Such an arrangement is particularly suitable in applications where the flow must not be disturbed (eg paper industries or, more generally, when the fluids are loaded (solid-liquid suspension).
  • the heat flow must then be channeled to the fluid, ensuring that there is no heat loss on the back of the sensor (opposite to that with the interface element).
  • the fouling sensor protrudes from the wall of the container so as to be placed in the fluid. Such an arrangement makes it possible to distribute the heat flow in a particularly efficient manner towards the fluid.
  • the fouling deposit is formed on the surface of the sensor which is exposed to the fluid and is representative of the deposit which is formed on the internal faces of the walls of the container which are exposed to the fluid, for example in flow.
  • the excitation signal is adapted so that, in the absence of clogging of the reactor, the amplitude of the temperature response signal is as close as possible to zero.
  • An excitation signal is thus selected, in particular its amplitude, to achieve this goal.
  • the invention also relates to a system for measuring or detecting the fouling of a container containing a fluid, the system comprising:
  • At least one heating element capable of generating and diffusing a heat flux
  • T w parietal temperature measurement element
  • the system further comprises means adapted to implement at least some of the various steps mentioned above in connection with the method.
  • This system more particularly comprises the container containing a fluid, and a fouling sensor structurally and functionally related to the container so as to be exposed at least in part to the fluid to receive a fouling deposit.
  • the sensor is thus for example installed in a wall of the container so that a portion of the sensor is exposed to the fluid.
  • FIG. 1 is a general schematic view of a sensor associated with a pipe according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a sensor (without the pipe) according to a variant of the embodiment of Figure 1;
  • FIG. 3 is a general schematic view of a sensor according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a general schematic view of a sensor according to a variant of the embodiment of FIG. 3;
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the temperature measurements taken by a sensor according to the invention in steady state and unsteady state as a function of a periodic power excitation
  • FIG. 7 illustrates the evolution over time of the temperature difference (RTP), the amplitude (RTI) and the phase shift
  • FIG. 8 illustrates the evolution of fouling over time
  • FIG. 9 illustrates the evolution of the thermal amplitude (RTI) as a function of frequency
  • FIG. 11 illustrates the evolution of the temperature difference (RTP) and of the thermal amplitude (RTI) as a function of the thermal resistance of deposition.
  • a sensor 10 is installed in a wall 12 of a container 14 which is, for example, a pipe in which a fluid, the flow of which is symbolized by the arrow marked by the reference F, is flowing.
  • This sensor is shown here schematically.
  • the container 14 containing a fluid may be of a type other than a pipe, and, for example, be a chemical reactor, or a container of another type such as a tank ....
  • the sensor 10 is mounted in one of the walls of the container, so as to be flush with the inner face 12a thereof, and comprises a plurality of functional elements which will be described hereinafter.
  • the sensor 10 more particularly comprises one or more heating elements of which only one 16 is shown here.
  • This or these heating elements are capable of diffusing a homogeneous controlled heat flow when they are appropriately controlled by means not shown in this figure, but which will be described later.
  • the heating element is ideally an electrical resistance whose thermo-dependence of the resistivity is known.
  • the thermal power is generated by Joule effect in the resistor by means of a current generator, (I) and the resulting voltage (U) across the heating element is measured.
  • the sensor also comprises a temperature measuring element (T w ) 18 (it will be called thereafter “first element”), for example placed above the heating element 16 (FIG. 1) and against the upper surface of the latter, in order to be located in the homogeneous heat flow diffused by it.
  • the first measurement element 18 is ideally located in the center of the flow zone (called “active zone”) to overcome the effects of edge in terms of energy loss.
  • the senor according to the invention may comprise only one temperature measuring element in a first version and the associated operating method will be described later.
  • This first version is useful in particular when the temperature of the fluid, and more generally of the industrial process involving the container, does not vary or, in any case, when this temperature is not likely to vary very rapidly.
  • the senor comprises a second temperature measuring element for measuring the temperature of the fluid (measuring medium).
  • the sensor further comprises at least one interface element 20 which is placed above the measuring element 18, for example in contact with the latter and which is mounted flush with respect to the wall 12.
  • the interface element 20 has two opposite faces 20a and 20b, one 20a being said “inner” and being disposed against the upper face of the measuring element 18 and the other 20b, called “outer” Being intended to be in contact with the fluid.
  • the faces 20b and 12a are arranged on the same side so as not to introduce a disturbance in the flow.
  • the interface element 20 is adapted so that its outer face is representative of the surface state of the wall 12 of the container so that the deposition of a fouling layer on the face 20b of the sensor is made almost identical to the deposition of a fouling layer on the inner face 12a of the wall of the container.
  • the determination of the fouling formed on the face 20b of the sensor determination which corresponds to either a fouling measurement or a fouling detection, will be particularly reliable given the nature of this outer face 20b. So that the outer face 20b is representative of the surface state of the wall of the container, it is preferable that this face has a roughness equivalent to that of the wall.
  • the wall 12 of the pipe may be class 316L stainless steel and the face 20b of the sensor will be particularly well polished as the face 12a of the pipe so as to achieve roughness values (Ra) of the order of 0.8 ⁇ m.
  • the outer face 20b is made of a material of the same nature as that of the wall of the container. If this material is not identical, it must at least be of a nature compatible with that of the material constituting the wall.
  • the interface element 20 is made of a material identical to that of the wall of the container.
  • T p T W x Ln ⁇ for a cylindrical geometry
  • T p T W x- for plane geometry
  • the interface element is optional. Indeed, the first temperature measuring element 18 could be arranged directly in contact with the fluid in a variant not shown in the figures.
  • the sensor 10 may also comprise one or more thermal insulation elements 22 placed in the rear part of the sensor, that is to say opposite the part where the interface element 20 in contact with the sensor is located. the fluid.
  • This or these thermal insulation elements 22 contribute to channeling the heat flux diffused by said at least one heating element 16 towards the measuring element 18 and towards the interface element 20 placed behind the latter.
  • one or more thermal insulation elements can be arranged around the sensor, between the latter and the wall in which it is installed, in order to better channel the diffused thermal flux.
  • the sensor 10 comprises, adjacent to the measuring element 18 and interposed between said at least one heating element
  • one or more thermal conducting elements 24 which promote the transmission of the homogeneous thermal flux generated by the at least one heating element 16 in order to transmit it to the interface element 20.
  • the senor has a symmetry of cylindrical revolution and the element 24 has, for example, an annular shape surrounding the first measuring element 18.
  • the interface element 20 has between its two opposite extreme faces 20a and 20b a thickness and thermophysical properties which are adapted to the thermal power generated by the heating element so that that the flux generated by the latter can reach the outer face 20b in a thermally optimal manner.
  • the interface element is chosen to generate a negligible temperature drop with respect to the accuracy of the temperature measuring elements which are, for example, thermocouples.
  • the senor 10 has a generally elongate shape along a longitudinal direction corresponding to that of its axis of revolution Z and the various functional elements mentioned above, namely the heating element or elements, the two measuring elements and the said at least one element. interface element are aligned one behind the other in this direction.
  • An electrical device 25 is connected to the heating element 16 by connection means 25a, on the one hand, and to a data processing unit or computer 26 by connection means 25b, on the other hand.
  • the device 25 serves to provide electrical energy to the heating element. It may be, for example, a current generator that is capable of injecting the necessary electrical power on command.
  • the processing unit 26 collects the various data coming from the device 25 (power induced in the heating element 16) and the first temperature measuring element (T w ) 18 (temperature measured by this element) via connection means. 26a.
  • This unit 26 samples and translates in physical quantities (temperature, ...) the measurements and information from the sensor, as well as the power generated.
  • the fouling determination system formed of the elements 25, 25a-b, 26 and 26a further comprises, optionally, a display 27 and / or means 28 for transmitting information remotely.
  • the display 27 makes it possible, for example, to continuously display the values of temperature (measured) and of fouling (calculated) as will be seen below.
  • the means 28 (example: transmitter) make it possible to remotely send the data measured and / or processed by the unit 26 and / or alerting information and / or other information relating to the sensor and / or its state of being. operation.
  • An alternative embodiment of the sensor of Figure 1 is shown in Figure 2. This figure corresponds to an enlargement of Figure 1 without the pipe and the common elements were taken with the same references.
  • the sensor 11 comprises in addition to that of Figure 1 another temperature measuring element 19 whose function is to measure the temperature of the fluid (second version) continuously or not according to the chosen operating mode.
  • This second temperature measuring element (Tb) is useful especially when the temperature of the fluid, and more generally of the industrial process involving the container, is not known or undergoes large variations.
  • the second temperature measuring element (T b ) is for example positioned at a sufficient distance from the active zone to not be influenced by the dissipated heat flow.
  • the second element 19 is thermally isolated from the so-called sensitive central zone in which the first element 18 is placed.
  • an annular space on the one hand, which surrounds the assembly formed by the annular thermal conductive element 24 which surrounds the first measuring element 18, the latter and the heating element 16 and, on the other hand, which is arranged between the elements 20 and 22 is occupied by a thermally insulating material 21 substantially shaped in a ring shape.
  • the second temperature measuring element (T b ) is positioned within this insulating material.
  • the processing unit 26 collects the various data coming from the device 25 (power induced in the heating element 16) and the two temperature measuring elements (T w ) 18 and (T b ) 19 (measured temperatures by these elements) via connection means 26a and 26b.
  • the operating method of the sensor equipped with two temperature measuring elements makes it possible to overcome any variations in this temperature over time, as will be seen later.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the sensor according to the invention and its installation in a wall 30 of a container 32.
  • the sensor 34 illustrated in FIG. 3 is mounted intrusively in the flow of fluid indicated by the arrow F and thus protrudes with respect to the wall 30.
  • This sensor has a generally elongated shape in a longitudinal direction and has, for example, a substantially cylindrical shape, at least in its part placed in the flow.
  • the senor 34 comprises the same functional elements as those described in connection with FIG. 1, namely at least one heating element 36, a first wall temperature measuring element 38, and at least one interface element 40. (optional).
  • the first temperature measuring element 38 is placed on the surface of the heating element 36 in the thermal flux diffused by the latter.
  • the interface element 40 has two opposite faces, a face 40a, called the inner face, and an opposite face 40b, called the outer face.
  • the inner face is in contact with the measuring element 38, while the outer face is in contact with the fluid.
  • the outer face 40b is representative of the surface condition of the wall 30 of the container for the same reasons.
  • the interface element 40 is made of a material of the same nature as that of the wall 30, or even identical to the latter.
  • the characteristics described for the sensor 10 of FIG. 1 can also be used for the sensor 34, in particular in terms of the roughness of the outer face of the interface element, the thickness of this interface element with respect to the thermal power generated by the heating element and the channelization of the heat flow by one or more thermal insulation elements not shown in FIG.
  • the sensor 35 comprises, in addition to that of FIG. 3, another temperature measuring element 39 whose function is to measure the temperature of the fluid (second version) continuously or not according to the chosen mode of operation.
  • This second temperature measuring element (Tb) is useful especially when the temperature of the fluid, and more generally of the industrial process involving the container, is not known or undergoes large variations.
  • the second temperature measuring element (T b ) is for example positioned at a sufficient distance from the active zone not to be influenced by the heat flow dissipated by the heating element 36.
  • the second element 39 is thermally insulated from the so-called sensitive central zone in which the first element 38 is placed by means of a thermally insulating material 41 positioned between the interface element 40 and the the central sheath of the heating element.
  • the thermal insulation 41 is for example made in the form of a collar fitted on the central sheath.
  • the insulator 41 is disposed between the part of the sensor closest to the wall 30 where is positioned the second temperature measuring element 39 and the part of the sensor where the first temperature measuring element 38 and the heating element are positioned. 36 (end portion).
  • the purpose of this method is to measure or detect fouling formed or being formed on the outer surface of the sensor that is in contact with a particular measuring medium.
  • the substance or substances forming the fouling deposit are deposited on the surface of an interface element in contact with the fluid (eg element 20 or 40 in FIGS. 1 to 4) or directly on the element or the first element. measuring element when there is no specific interface).
  • the method described herein provides for generating a homogeneous and controlled heat flux in the sensor heating element from a periodic excitation signal applied to this heating element.
  • the thermal power dissipated by the heating element (by Joule effect from an injected electric current) is therefore a periodic function of the time for which it is possible to choose the shape of the signal, its amplitude and its frequency.
  • a time modulated excitation signal is applied to the heating element continuously for the time during which it is desired to measure or detect fouling on the sensor.
  • the resulting heat flux is represented by a signal varying periodically over time (modulated flow).
  • the amplitude of the excitation signal is for example chosen as a function of the desired sensitivity of the sensor.
  • the signal can take different forms (sinusoidal, sawtooth, crenellated ).
  • sinusoidal shape is presented in the following examples as it is the easiest form to use.
  • the frequency of the excitation signal can be adapted depending on the fouling (nature, thickness, thermophysical properties ).
  • the power dissipated can be a sinusoidal function of time.
  • the current flowing in the heating element is written in the form: where A denotes the amplitude of the current oscillations [A], f the frequency of use of the sensor [Hz] and t the elapsed time [s].
  • A denotes the amplitude of the current oscillations [A]
  • f the frequency of use of the sensor [Hz]
  • t the elapsed time [s].
  • the dissipated power is of sinusoidal form and is written:
  • the maximum heat flux density dissipated on the surface of the sensing element of the sensor is determined by the amplitude of the oscillations (maximum current) chosen.
  • the method provides for measuring a temperature response signal by the first parietal temperature measurement element (T w ) which is, as explained above in relation to FIGS. 1 to 4, placed in the thermal flux diffused by the 'heating element.
  • V T 1 1 in Cartesian coordinates
  • Equation (Eq.1) incorporates a heat accumulation term (p - c), a pst transfer term
  • V (A - Vr)
  • ⁇ v viscous dissipation term
  • the thermal resistance induced by fouling and therefore its thickness can be estimated in real time and continuously within the container (for example, the pipe illustrated in Figures 1 to 4).
  • this temperature Tb is measured simultaneously with the other variables.
  • the fluid temperature is, in general, determined from the temperature response signal supplied by the first temperature measuring element (T w ) and, more particularly, , from one or more minimum values of this signal.
  • the fluid temperature is interpolated linearly (or by a polynomial) from at least two minimum values recorded over at least two periods of the temperature response signal.
  • the hydrodynamic environment of the sensor and more specifically of the sensitive element is under hydraulic and thermal regimes not established (thermal and / or hydraulic limit layers in development).
  • the heat transfer at the surface of the sensor is therefore by forced convection and the mean or local convection coefficient can be calculated from the semi-empirical correlations between similarity invariants.
  • the convection coefficient will be high (> qq 1000Wm “2 .K " 1 ), which induces a temperature of nip (T w - T b ) tending towards zero.
  • the flux density imposed on the surface of the sensor can be adjusted so as (i) to have an optimal sensitivity with respect to the detection of a fouling and (ii) to control any parietal overheating incompatible with the process and / or the measuring medium.
  • the acquired variables make it possible to determine the temperature difference between the fluid. and the surface of the sensor, while controlling the power dissipated by measuring the intensity and voltage across the resistor (heating element (s)).
  • the thickness of the fouling is estimated from the drift of the parietal overheating which is equal to:
  • the sensor When the frequency of the excitation signal is not zero (dT / dt ⁇ O with f> 0 Hz), the sensor operates by definition in unsteady thermal regime and the dissipated power follows a periodic function of time as already mentioned above. .
  • the response of the wall temperature (T w ) then follows a periodic function of the same frequency as the dissipated power (same frequency as the excitation signal) and amplitude ( ⁇ T W ) different.
  • T w the wall temperature
  • ⁇ T W amplitude
  • a modulation of the parietal overheating is carried out while attempting to measure or detect a fouling of the sensor, and therefore of the wall exposed to the fluid.
  • the temperature response signal has a phase shift with the excitation signal.
  • a signal can be formed from the difference of the wall temperatures and the fluid (T w -Tb) in order to process and analyze the resulting signal.
  • the senor can also operate in unsteady thermal mode (RTI) by alternating active phases (heating) and inactive phases (non-heating), the monitoring of the fouling occurring during the active phases.
  • RTI unsteady thermal mode
  • T (x, y, z, t) A (x, y, z) • B (x, y, z, t)
  • T w temperature response signal
  • T b formed signal
  • the periodic signal formed by the temperature difference (T w -T b ) to overcome possible variations in fluid temperature and, secondly, the periodic excitation signal.
  • the calculation of the temperature difference depends on the configuration used, namely whether the fluid temperature is measured directly (configuration of FIGS. 2 and 4) or estimated by an appropriate treatment (configuration of FIGS. 3).
  • the difference of the two temperatures measured by the two respective measuring elements, T w and T b is calculated continuously and in real time.
  • This double metrology makes it possible to ensure that the thermal response (T w ) on the sensitive element in the presence of a fouling is correct.
  • the latter must periodically reach a minimum equal to the temperature of the fluid.
  • the working frequency and / or the dissipated power must be modified so as to avoid any drift induced by the thermal inertia of the sensor in the presence of the fouling (thermal capacitive and conductive effects).
  • the fluid temperature is not measured.
  • the temperature of the fluid can be determined by a regression method (eg linear or polynomial) from the minima of the parietal temperature measured on the active zone over one (or more) period (s).
  • a regression method eg linear or polynomial
  • it is the difference between the temperature T w and the temperature of the estimated fluid that is calculated a posteriori, that is to say with a delay of at least one period.
  • the oscillation amplitude can be calculated using only one (sliding) period.
  • the signal processing by the Fourier transform is performed from the set of data calculated over at least two excitation periods. in power.
  • a first Fourier transform is applied over a period of each signal in order to quickly obtain the amplitude information and a second Fourier transform over five periods of the signal in order to reliably obtain the phase. of each signal.
  • the thickness of the fouling layer is determined from the amplitude from the aforementioned signal processing and using the formulas mentioned above which provide the temperature difference T w -T b (depending on the geometry chosen). When the excitation frequency and the power are adapted, replace T w -T b by the amplitude. The resolution of the following equations gives access to the thermal properties of the deposit, once the amplitude and the phase shift have been obtained:
  • ⁇ is the thermal conductivity (W / (m.K))
  • p the density
  • T (x, t) and calculate the thermal diffusivity a from the amplitude and phase shift parameters contained in the expression of T (x, t). As a result, it has access to the thermal conductivity of the deposit ⁇ if it knows its specific heat Cp and vice versa.
  • FIG. 5 The data measured by a sensor according to the invention (FIG. 4) equipped with two temperature measuring elements (dissipated flux [VWm 2 ], fluid temperature [° C] and temperature at the surface of the active zone [° C] in RTP and RTI) are shown in FIG. 5 for a known thermal resistance (R th ) equal to 0.00375 K / W and a mechanically stirred fluid (turbulent regime) whose temperature is kept constant.
  • the senor operates in unsteady thermal regime during a second part of the active phase: the thermal flux varies periodically over time and the temperature response signal provided by the first measuring element (T w ) follows the periodic excitation with, however, a phase shift with respect to the excitation, which indicates a fouling.
  • fouling is measured or detected during operation of the sensor in unsteady thermal regime.
  • the temperature of the fluid (T b ) is, in turn, measured continuously by the second measuring element.
  • FIG. 6 illustrates the same data measured in a semi-industrial environment for which the fluid temperature undergoes random variations.
  • the difference in temperature (T w -T b ) calculated between the temperature (T w ) at the surface of the active zone and the fluid temperature is shown ( ⁇ T [° C]).
  • T w -T b the difference in temperature
  • T w -T b the difference in temperature
  • T w -T b the difference in temperature
  • FIG. 7 illustrates the evolution, as a function of the thermal resistance (that is to say of the thickness of the deposit), the temperature difference (T w -T b ), the amplitude of the oscillations and phase shift.
  • the temperature difference in the case of RTP
  • the amplitude of the oscillations and the phase shift in the case of RTIs
  • the thermal amplitude increases linearly with the generated flux density, whatever the excitation frequency.
  • the increase of the excitation frequency can have an influence (for example a decrease) on the thermal amplitude response not representative of the thickness of the deposit on the surface of the sensor. Consequently, it is necessary either to know or evaluate the thermal resistance to be measured, or to compare the measured thermal amplitude with the response ( ⁇ T [° C]) obtained in RTP over a given period to choose the appropriate excitation frequency (FIG. 11).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide, le procédé comportant les étapes suivantes : - application à au moins un élément chauffant d'un signal d'excitation modulé de façon à ce que ledit au moins un élément chauffant génère et diffuse un flux thermique homogène contrôlé qui varie de façon périodique au cours du temps, le signal d'excitation étant appliqué en continu pendant un temps durant lequel l'encrassement est mesuré ou détecté; - mesure d'un signal de réponse en température par un élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, d'une part, placé dans le flux thermique homogène contrôlé ainsi diffusé et, d'autre part, en contact avec le fluide de façon directe ou indirecte par l'intermédiaire d'au moins un élément d'interface; - détermination de l'encrassement formé sur l'élément de mesure de température ou sur ledit au moins un élément d'interface à partir du signal de réponse en température et du signal d'excitation.

Description

"Procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur"
L'invention concerne un procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un réacteur ou d'une conduite contenant un fluide compressible ou incompressible en circulation.
Dans les procédés industriels, on trouve différents types d'installations
(tube, échangeur de chaleur, procédés de séparation par membrane, cuve d'agitation mélange, etc) dans lesquelles des fluides de natures diverses (fluides
Newtonien et non-Newtonien, fluides chargés en particules) sont mis en mouvement.
Ces installations comprennent généralement une mise en circulation des fluides (pompe, agitation), des conduites dans lesquelles circulent des fluides et peuvent comprendre également des réacteurs (au sens d'opération unitaire tel que définit par le Génie des Procédés Industriels) comme par exemple des échangeurs thermiques pariétaux (transfert conductif-convectif) soient tubulaires, soient à plaques.
Dans ce cas précis, l'encrassement de telles installations peut s'avérer préjudiciable dans la mesure où il affecte les performances de l'opération unitaire et donc de l'ensemble du procédé (par exemple la chute du coefficient global d'échange thermique implique aussi une diminution de l'efficacité énergétique du procédé). L'encrassement des équipements entraine une dégradation des performances des opérations unitaires en terme de transfert ce chaleur, de matière ou de quantité de mouvement.
En outre, lorsqu'un encrassement se forme sur la paroi interne d'une conduite ou d'un réacteur, il convient de procéder à son nettoyage au bon moment. Les opérations de nettoyage sont soit inévitable pour maintenir le bon fonctionnement d'un procédé (exemple : industries chimiques), soit obligatoire pour assurer la qualité et la sécurité des produits (exemple : industries agroalimentaires).
II faut toutefois que cet encrassement soit décelable en continu par les opérateurs ou le personnel de maintenance de l'installation afin de pouvoir apprécier, dans le cadre d'une maintenance préventive, le meilleur moment pour réaliser les nettoyages.
En tout état de cause, les encrassements provoquent irrégulièrement l'arrêt de l'installation et ce, pendant une durée parfois indéterminée, ce qui pénalise fortement le déroulement du processus industriel.
Ces interventions peuvent représenter des tâches pénibles pour le personnel, d'autant plus si l'encrassement n'a été détecté que tardivement et si son épaisseur est trop importante.
La fréquence et la durée des opérations de nettoyage, la consommation de formulations chimiques spécifiques et la production d'effluent lors de ces opérations ont des répercussions économiques, énergétiques, humaines et environnementales.
Ce désencrassement présente un coût économique non négligeable puisqu'il convient d'intégrer au coût des opérations de maintenance le coût induit par l'arrêt temporaire de l'exploitation.
On notera également qu'au fur et à mesure que les échangeurs thermiques s'encrassent, il s'ensuit une perte d'efficacité progressive (diminution du coefficient global d'échange, augmentation des pertes de charges linéiques), avant un arrêt de fonctionnement potentiel de l'installation ou de la partie de l'installation comprenant ces échangeurs.
Par ailleurs, dans les réseaux d'eau chaude sanitaire et dans les tours aéroréfrigérées industrielles ouvertes, des bactéries peuvent se développer à l'intérieur du réseau et du circuit de refroidissement. Ce développement bactérien se présente communément sous la forme d'un dépôt microbiologique dénommé biofilm ou biofouling. De même, un risque de contamination par les légionelles (nom latin de la souche) est envisageable et statistiquement couplé à la dérive de l'épaisseur du biofilm au sens de l'évaluation du risque sanitaire.
Actuellement, il convient de procéder à un contrôle régulier des installations en prévoyant des points de piquage dans les conduites ou dans les réacteurs où circulent les fluides qui sont susceptibles de provoquer un encrassement. Ces points de piquage permettent également de prélever des échantillons, puis de les analyser en laboratoire afin d'obtenir soit une mesure de l'encrassement soit une analyse du type d'encrassement formé (nature, composition...).
Sur certaines lignes industrielles on utilise des approches globales thermiques ou hydrauliques, pour estimer l'épaisseur de la couche d'encrassement formée à l'intérieur des parois d'une conduite ou d'un réacteur. Les méthodes hydrauliques font intervenir une mesure de la perte de charge générée le long du procédé. L'apparition d'un dépôt réduit la section de passage et induit l'augmentation de la perte de charge. Les méthodes thermiques reposent sur la mesure du coefficient global d'échange ou à défaut de la simple dérive de la différence logarithmique des températures d'entrée et de sortie des fluides primaire et secondaire.
Ces dernières mesures présentent toutefois de réels inconvénients dans la mesure où :
- elles ne permettent pas d'obtenir une information locale,
- elles reposent sur de multiples mesures de températures ou de perte de charge et de débits,
- elles ne sont pas répétables même pour des conditions opératoires identiques (exemple: évolution de la perte de charge en fonction du temps).
On connaît d'après le document FR 2 885 694 une méthode de mesure locale et en-ligne de l'encrassement dans un réacteur ou une conduite qui utilise deux sondes de température.
Plus particulièrement, ces deux sondes sont introduites dans une conduite respectivement grâce à deux points de piquage et l'une de ces sondes mesure la température du fluide, tandis que l'autre sonde mesure la température en paroi d'un générateur de chaleur.
Selon cette méthode, on fait en sorte, en premier lieu, d'obtenir une différence de température entre la température de paroi et la température du fluide aussi proche de zéro que possible. Un générateur de chaleur émet un flux thermique tandis que l'on mesure au cours du temps l'écart de température entre la température de paroi et celle du fluide, l'état d'encrassement du réacteur étant déterminé à partir de la mesure de cet écart de température.
Cette méthode et le système associé présentent toutefois certains inconvénients limitant leur utilisation en milieu industriel.
La Demanderesse s'est aperçue que le maintien en continu d'une surchauffe pariétale peut être une cause supplémentaire à l'origine de l'encrassement.
Par ailleurs, cette méthode ne permet pas de fournir une mesure précise de l'épaisseur si les propriétés thermiques du dépôt d'encrassement ne sont pas connues.
Au vu de ce qui précède, il serait donc intéressant de pouvoir disposer d'un nouveau procédé et d'un nouveau système de détermination de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide.
La présente invention a ainsi pour objet un procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide, le procédé comportant les étapes suivantes :
- application à au moins un élément chauffant d'un signal d'excitation modulé de façon à ce que ledit au moins un élément chauffant génère et diffuse un flux thermique homogène contrôlé qui varie de façon périodique au cours du temps, le signal d'excitation étant appliqué en continu pendant le temps durant lequel l'encrassement est mesuré ou détecté ;
- mesure d'un signal de réponse en température par un élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, d'une part, placé dans le flux thermique homogène contrôlé ainsi diffusé et, d'autre part, en contact avec le fluide de façon directe ou indirecte par l'intermédiaire d'au moins un élément d'interface ;
- détermination de l'encrassement formé sur l'élément de mesure de température ou sur ledit au moins un élément d'interface à partir du signal de réponse en température et du signal d'excitation.
Ce procédé, particulièrement simple à mettre en œuvre, fournit des informations sur l'encrassement du contenant (ex : réacteur) grâce à une mesure d'un signal de réponse en température en réponse à un signal d'excitation périodique au cours du temps et donc à un flux thermique variant de façon périodique au cours du temps. Ce mode de fonctionnement est différent d'un mode où le flux thermique est généré de façon impulsionnelle. On notera que le signal de réponse en température et le signal d'excitation (tout comme le flux thermique) ont la même fréquence et, en présence d'encrassement, présentent un déphasage entre eux.
La simple analyse de ces deux signaux (signal de réponse en température et signal d'excitation) permet de déterminer l'épaisseur du dépôt d'encrassement (à condition de disposer de l'information sur les propriétés thermiques du dépôt telles que la conductivité thermique et/ou sa capacité calorifique) et l'évolution de cet encrassement grâce à la seule information d'amplitude.
Inversement, on notera que l'on peut déterminer la capacité calorifique et/ou la conductivité thermique à condition de disposer d'une information sur l'épaisseur.
L'information sur le déphasage entre les signaux permet, quant à elle, de détecter la formation d'un encrassement (information qualitative). Ceci est rendu possible par le suivi au cours du temps du déphasage entre les signaux.
Par ailleurs, en combinant les informations d'amplitude et de déphasage il est possible de connaître les propriétés du dépôt d'encrassement formé ou en cours de formation.
Dans sa version de base, le procédé selon l'invention ne fait intervenir qu'un seul signal de mesure de température.
Selon une caractéristique, le procédé comporte une étape de détermination de la température du fluide (Tb) à partir du signal de réponse en température.
Ainsi, il est possible de mesurer la température du fluide sans avoir besoin d'un élément de mesure de température supplémentaire.
Plus particulièrement, la température du fluide est déterminée à partir d'un ou de plusieurs des minimas du signal de réponse en température. Chaque minima fournit une information ponctuelle dans le temps sur la température du fluide. Deux minimas consécutifs permettent d'obtenir la température du fluide dans l'intervalle de temps considéré soit par interpolation soit, de façon plus générale, par une modélisation de la température entre ces deux valeurs extrêmes.
Plus de deux minimas permettent d'affiner le modèle de température.
Selon une caractéristique, le procédé comporte une étape de mesure de la température du fluide (Tb) par un élément de mesure de température placé en contact direct ou indirect avec le fluide et isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant.
Cet élément de mesure de température supplémentaire doit en effet être isolé thermiquement de l'élément chauffant ou, en tout cas, suffisamment éloigné pour ne pas être influencé par le flux thermique diffusé.
Par ailleurs, l'élément de mesure de température supplémentaire fournit une mesure de température du fluide à l'instant ou aux instants souhaités sans avoir besoin d'attendre l'écoulement d'une ou de plusieurs périodes du signal de réponse en température.
En outre, la connaissance de la température du fluide permet de s'affranchir de toute variation de température du fluide.
II convient toutefois de noter qu'un capteur qui présente une grande inertie thermique a un temps de réponse plus long et une sensibilité réduite.
Plus particulièrement, lorsque la mesure de la température du fluide (Tw - Tb) est réalisée en continu, la température du fluide est obtenue de façon plus précise. On évite ainsi la prise en compte du bruit associé à la variation de température du fluide.
Selon une caractéristique, le procédé comporte une étape de formation du signal (Tw - Tb). Ainsi, le signal formé de réponse en température permet de s'affranchir des variations de température du fluide.
Selon une caractéristique, le procédé comporte les étapes suivantes :
- traitement du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb); - en fonction du résultat de l'étape de traitement, détermination de l'amplitude du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb).
Selon une caractéristique, l'étape de traitement étant également effectuée sur le signal d'excitation, l'étape de détermination conduit également à la détermination du déphasage du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb) avec le signal d'excitation.
Selon une caractéristique, le traitement appliqué aux signaux est une transformation de Fourier rapide (FFT). Ce traitement particulier appliqué à chaque signal séparément (signal de réponse et signal d'excitation) permet d'obtenir directement l'amplitude et la phase de chacun d'eux.
Selon une caractéristique, le procédé comporte plus particulièrement une étape de détermination de l'état d'encrassement et/ou des propriétés thermiques de l'encrassement en fonction de l'amplitude et/ou du déphasage ainsi déterminés. L'accès à des propriétés thermiques du dépôt d'encrassement telles que la conductivité thermique permet de mesurer précisément l'épaisseur.
Selon une caractéristique, le procédé comporte une étape de sélection de la fréquence du signal d'excitation en fonction de l'encrassement et, plus particulièrement, du dépôt (propriétés thermiques, épaisseur, nature du dépôt...). En effet, selon l'encrassement l'inertie du système (capteur de mesure et dépôt) sera différente. Le procédé permet ainsi d'adapter la fréquence du signal d'excitation à l'inertie du système : avec une grande inertie la fréquence du signal sera faible et inversement.
Selon une caractéristique, la fréquence d'excitation est sélectionnée de façon adaptée à l'inertie thermique du capteur par comparaison entre l'amplitude du signal de réponse en température et la différence de température mesurée en régime thermique permanent (RTP), le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation. Lorsque l'amplitude s'avère correspondre à la différence de température (RTP), cela signifie que la fréquence est adaptée à l'inertie du capteur.
Selon une caractéristique, la fréquence d'excitation est sélectionnée de façon adaptée à l'inertie thermique du capteur en choisissant parmi plusieurs fréquences celle qui conduit à une amplitude de signal de réponse en température élevée, le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation.
Ainsi, si en augmentant la fréquence l'amplitude se réduit, alors il convient de sélectionner une fréquence réduite.
Selon une caractéristique, le flux thermique est sélectionné en fonction de la sensibilité souhaitée pour le capteur et est d'autant plus élevé que la sensibilité souhaitée est élevée, sans toutefois occasionner une surchauffe pariétale trop élevée, le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation.
Selon une caractéristique, l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant font partie d'un capteur d'encrassement qui est installé dans une paroi du contenant (réacteur) en contact avec le fluide.
Selon une caractéristique, le capteur d'encrassement est monté affleurant par rapport à la paroi du contenant. Un tel agencement convient particulièrement dans des applications où l'écoulement ne doit pas être perturbé (ex: industries du papier ou, plus généralement, lorsque les fluides sont chargés (suspension solide-liquide).
Il convient toutefois de noter que le flux thermique doit alors être canalisé vers le fluide en s'assurant qu'il n'y a aucune déperdition thermique en face arrière du capteur (face qui est opposée à celle comportant l'élément d'interface). Selon une caractéristique, le capteur d'encrassement fait saillie par rapport à la paroi du contenant de manière à être placé dans le fluide. Un tel agencement permet de diffuser de façon particulièrement efficace le flux thermique en direction du fluide.
Quel que soit le type de capteur d'encrassement, le dépôt d'encrassement se forme à la surface du capteur qui est exposée au fluide et est représentatif du dépôt qui se forme sur les faces internes des parois du contenant qui sont exposées au fluide, par exemple en écoulement.
Selon une caractéristique, le signal d'excitation est adapté pour que, en l'absence d'encrassement du réacteur, l'amplitude du signal de réponse en température soit la plus proche possible de zéro.
On sélectionne ainsi un signal d'excitation, notamment son amplitude, pour atteindre ce but.
L'invention a également pour objet un système de mesure ou de détection de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide, le système comportant :
- au moins un élément chauffant apte à générer et à diffuser un flux thermique ;
- des moyens d'application audit au moins un élément chauffant d'un signal d'excitation modulé de façon à ce que ledit au moins un élément chauffant génère et diffuse un flux thermique homogène contrôlé qui varie de façon périodique au cours du temps, le signal d'excitation étant appliqué en continu pendant le temps durant lequel l'encrassement est mesuré ou détecté ;
- des moyens de mesure d'un signal de réponse en température par un élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, d'une part, placé dans le flux thermique homogène contrôlé ainsi diffusé et, d'autre part, en contact avec le fluide de façon directe ou indirecte par l'intermédiaire d'au moins un élément d'interface ;
- des moyens de détermination de l'encrassement formé sur l'élément de mesure de température ou sur ledit au moins un élément d'interface à partir du signal de réponse en température et du signal d'excitation. Le système présente les mêmes avantages que ceux décrits en référence au procédé et ils ne seront donc pas rappelés ici.
Le système comprend par ailleurs les moyens adaptés à mettre en œuvre au moins certaines des différentes étapes mentionnées ci-dessus en relation avec le procédé.
Ce système comprend plus particulièrement le contenant renfermant un fluide, ainsi qu'un capteur d'encrassement lié structurellement et fonctionnellement au contenant de façon à pouvoir être exposé au moins en partie au fluide pour recevoir un dépôt d'encrassement. Le capteur est ainsi par exemple installé dans une paroi du contenant pour qu'une partie du capteur soit exposée au fluide.
D'autres moyens sont associés au capteur pour permettre son fonctionnement en régime thermique instationnaire et l'exploitation des signaux de mesure de température et d'excitation pour déterminer l'encrassement (mesure ou détection).
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique générale d'un capteur associé à une conduite selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un capteur (sans la conduite) selon une variante du mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique générale d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une vue schématique générale d'un capteur selon une variante du mode de réalisation de la figure 3 ;
- les figures 5 et 6 illustrent les mesures de température relevées par un capteur selon l'invention en régime permanent et instationnaire en fonction d'une excitation de puissance périodique ;
- la figure 7 illustre l'évolution au cours du temps de la différence de température (RTP), de l'amplitude (RTI) et du déphasage ;
- la figure 8 illustre l'évolution de l'encrassement au cours du temps ; - la figure 9 illustre l'évolution de l'amplitude thermique (RTI) en fonction de la fréquence ;
- la figure 10 illustre l'évolution de la différence de température (RTP) et de l'amplitude thermique (RTI) en fonction de la densité de flux thermique imposée en conditions propres (e=0mm) et encrassées (e=1 mm) ;
- la figure 11 illustre l'évolution de la différence de température (RTP) et de l'amplitude thermique (RTI) en fonction de la résistance thermique de dépôt.
Comme représenté sur la figure 1 , un capteur 10 est installé dans une paroi 12 d'un contenant 14 qui est par exemple une conduite dans laquelle circule un fluide dont l'écoulement est symbolisé par la flèche repérée par la référence F. Ce capteur est représenté ici de façon schématique.
On notera que le contenant 14 renfermant un fluide peut être d'un autre type qu'une conduite, et, par exemple, être un réacteur chimique, voire un contenant d'un autre type tel qu'une cuve....
Le capteur 10 est monté dans l'une des parois du contenant, de façon à affleurer la face interne 12a de celle-ci, et comporte plusieurs éléments fonctionnels qui vont être décrits ci-après.
Le capteur 10 comprend plus particulièrement un ou plusieurs éléments chauffants dont un seul 16 est représenté ici.
Ce ou ces éléments chauffants sont aptes à diffuser un flux thermique homogène contrôlé lorsqu'ils sont commandés de façon appropriée par des moyens non représentés sur cette figure, mais qui seront décrits ultérieurement.
L'élément chauffant est idéalement une résistance électrique dont la thermo-dépendance de la résistivité est connue. La puissance thermique est générée par effet Joule dans la résistance au moyen d'un générateur de courant, (I) et la tension résultante (U) aux bornes de l'élément chauffant est mesurée.
Le capteur comporte également un élément de mesure de température (Tw) 18 (il sera appelé par la suite «premier élément»), par exemple placé au- dessus de l'élément chauffant 16 (figure 1 ) et contre la surface supérieure de ce dernier, afin d'être localisé dans le flux thermique homogène diffusé par lui. Le premier élément de mesure 18 est situé idéalement au centre de la zone de flux (appelée «zone active») afin de s'affranchir des effets de bord en termes de déperdition énergétique.
Il convient de noter que le capteur selon l'invention peut ne comporter qu'un seul élément de mesure de température dans une première version et le procédé de fonctionnement associé sera décrit ultérieurement.
Cette première version est utile notamment lorsque la température du fluide, et plus généralement du process industriel faisant intervenir le contenant, ne varie pas ou, en tout cas, lorsque cette température n'est pas susceptible de varier très rapidement.
Dans une seconde version illustrée sur la figure 2 qui sera décrite ultérieurement le capteur comporte un deuxième élément de mesure de température afin de mesurer la température du fluide (milieu de mesure).
Le capteur comporte en outre au moins un élément d'interface 20 qui est placé au-dessus de l'élément de mesure 18, par exemple au contact de celui- ci et qui est monté affleurant par rapport à la paroi 12.
Plus particulièrement, l'élément d'interface 20 comporte deux faces opposées 20a et 20b, l'une 20a étant dite « intérieure » et étant disposée contre la face supérieure de l'élément de mesure 18 et l'autre 20b, dite « extérieure » étant destinée à être en contact avec le fluide.
Les faces 20b et 12a sont disposées à la même côte afin de ne pas introduire de perturbation dans l'écoulement.
L'élément d'interface 20 est adapté pour que sa face extérieure soit représentative de l'état de surface de la paroi 12 du contenant afin que le dépôt d'une couche d'encrassement sur la face 20b du capteur soit réalisé de façon quasi identique au dépôt d'une couche d'encrassement sur la face interne 12a de la paroi du contenant.
Ainsi, la détermination de l'encrassement formé sur la face 20b du capteur, détermination qui correspond soit à une mesure d'encrassement soit à une détection d'encrassement, sera particulièrement fiable compte tenu de la nature de cette face extérieure 20b. Afin que la face extérieure 20b soit représentative de l'état de surface de la paroi du contenant, il est préférable que cette face possède une rugosité équivalente à celle de la paroi.
Ainsi, par exemple dans le cadre d'une application agro-alimentaire, la paroi 12 de la conduite peut être en acier inoxydable de classe 316L et la face 20b du capteur sera particulièrement bien polie tout comme la face 12a de la conduite afin d'atteindre des valeurs de rugosité (Ra) de l'ordre de 0,8μm.
De préférence, la face extérieure 20b est réalisée dans un matériau de même nature que celui de la paroi du contenant. Si ce matériau n'est pas identique, il doit au moins être d'une nature compatible avec celle du matériau constitutif de la paroi.
La solution la plus simple est que l'élément d'interface 20 soit réalisé dans un matériau identique à celui de la paroi du contenant.
Les propriétés thermo-physiques du ou des matériau(x) d'interface, notamment son épaisseur E [m] définie entre le premier élément de mesure de température 18 (Tw) et le milieu de mesure, sa conductivité thermique λ [W.rτT1.K~
1], sa chaleur spécifique Cp [J. kg"1. K"1] et sa masse volumique p [kg/m3], sont parfaitement connues de manière à calculer précise de façon la température Tw à la surface du ou des matériau(x) d'interface qui est offerte à un encrassement quelconque.
Les formules suivantes fournissent, pour chacune des géométries cylindrique et plane illustrées respectivement aux figures 3 et 1 (la figure 3 sera décrite plus loin), les relations entre la température mesurée (Tw), la température sur la face du matériau d'interface recouverte par un dépôt d'encrassement (Tp) et l'épaisseur de ce dépôt (E) :
Tp = TW x Ln\ pour une géométrie cylindrique
2πλL \ r J
P E
Tp = TW x— pour une géométrie plane
S λ
où L est la longueur de l'élément chauffant [m], P est la puissance dissipée à travers l'élément chauffant [W], r est le rayon du capteur des figures 3 et 4 sans le matériau d'interface [m] et S est la surface de la zone active, c'est-à-dire la surface de la zone chauffée [m2]. On remarque qu'en l'absence de matériau d'interface (E = O) : Tw = Tp.
Dans la suite de la description, lorsque l'élément d'interface est présent devant le premier élément de mesure de température (quelle que soit la géométrie retenue), à chaque fois qu'il est question du signal de réponse en température Tw (un seul élément de mesure) ou du signal formé Tw-Tb (deux éléments de mesure) la température Tw est remplacée par la valeur Tp calculée à l'aide des formules ci-dessus.
On notera toutefois que l'élément d'interface est optionnel. En effet, le premier élément de mesure de température 18 pourrait être agencé directement en contact avec le fluide dans une variante non représentée sur les figures.
Le capteur 10 peut également comporter un ou plusieurs éléments d'isolation thermique 22 placés dans la partie arrière du capteur, c'est-à-dire à l'opposé de la partie où se trouve l'élément d'interface 20 en contact avec le fluide.
Ce ou ces éléments d'isolation thermique 22 contribuent à canaliser le flux thermique diffusé par ledit au moins un élément chauffant 16 vers l'élément de mesure 18 et vers l'élément d'interface 20 placé derrière ce dernier.
En outre un ou plusieurs éléments d'isolation thermique peuvent être agencés autour du capteur, entre ce dernier et la paroi dans laquelle il est installé, afin de mieux canaliser le flux thermique diffusé.
On notera par ailleurs que le capteur 10 comporte, de façon adjacente à l'élément de mesure 18 et interposés entre ledit au moins un élément chauffant
16 et l'élément d'interface 20, un ou plusieurs éléments conducteurs thermiques 24 qui favorisent la transmission du flux thermique homogène généré par ledit au moins un élément chauffant 16 en vue de le transmettre à l'élément d'interface 20.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , le capteur a une symétrie de révolution cylindrique et l'élément 24 a par exemple une forme annulaire entourant le premier élément de mesure 18.
Par ailleurs, l'élément d'interface 20 présente entre ses deux faces opposées extrêmes 20a et 20b une épaisseur et des propriétés thermophysiques qui sont adaptées à la puissance thermique générée par l'élément chauffant afin que le flux généré par ce dernier puisse atteindre la face extérieure 20b de façon thermiquement optimale.
L'élément d'interface est choisi de façon à générer une chute de température négligeable par rapport à la précision des éléments de mesure de température qui sont, par exemple, des thermocouples.
On notera que le capteur 10 présente une forme générale allongée suivant une direction longitudinale qui correspond à celle de son axe de révolution Z et les différents éléments fonctionnels précités, à savoir le ou les éléments chauffants, les deux éléments de mesure et ledit au moins un élément d'interface sont alignés l'un derrière l'autre suivant cette direction.
Un dispositif électrique 25 est relié à l'élément chauffant 16 par des moyens de connexion 25a, d'une part, et à une unité de traitement de données ou calculateur 26 par des moyens de connexion 25b, d'autre part. Le dispositif 25 a pour fonction de fournir de l'énergie électrique à l'élément chauffant. Il peut s'agir, par exemple, d'un générateur de courant qui est capable d'injecter la puissance électrique nécessaire sur commande.
L'unité de traitement 26 recueille les différentes données provenant du dispositif 25 (puissance induite dans l'élément de chauffe 16) et du premier élément de mesure de température (Tw) 18 (température mesurée par cet élément) via des moyens de connexion 26a.
Cette unité 26 échantillonne et traduit en grandeurs physiques (température, ...) les mesures et informations provenant du capteur, ainsi que la puissance générée. On notera que le système de détermination d'encrassement formé des éléments 25, 25a-b, 26 et 26a comprend en outre, de façon optionnelle, un afficheur 27 et/ou des moyens 28 de transmission d'informations à distance. L'afficheur 27 permet, par exemple, d'afficher en continu, les valeurs de température (mesurée) et d'encrassement (calculée) comme on le verra plus loin. Les moyens 28 (exemple : transmetteur) permettent d'envoyer à distance les données mesurées et/ou traitées par l'unité 26 et/ou une information d'alerte et/ou une autre information relative au capteur et/ou à son état de fonctionnement. Une variante de réalisation du capteur de la figure 1 est illustrée à la figure 2. Cette figure correspond à un agrandissement de la figure 1 sans la conduite et les éléments communs ont été repris avec les mêmes références.
Les éléments communs repris ici ne seront pas décrits à nouveau et le capteur 11 conserve les mêmes caractéristiques, avantages et fonctionnalités que celui de la figure 1.
Le capteur 11 comporte en plus de celui de la figure 1 un autre élément de mesure de température 19 qui a pour fonction de mesurer la température du fluide (deuxième version) de manière continue ou non selon le mode de fonctionnement choisi .
Ce deuxième élément de mesure de température (Tb) est utile notamment lorsque la température du fluide, et plus généralement du process industriel faisant intervenir le contenant, n'est pas connue ou subit de grandes variations.
Le deuxième élément de mesure de température (Tb) est par exemple positionné à une distance suffisante de la zone active pour ne pas être influencé par le flux de chaleur dissipé.
Comme représenté sur la figure 2, le deuxième élément 19 est isolé thermiquement de la zone centrale dite sensible dans laquelle est placé le premier élément 18.
Sur la figure 2 l'ensemble formé par l'élément conducteur thermique annulaire 24 qui entoure le premier élément de mesure 18, ce dernier et l'élément chauffant 16 présentent la même disposition que sur la figure 1.
Toutefois, les éléments 20 et 22 les encadrant et, donc l'encombrement du capteur perpendiculairement à l'axe Z, s'avèrent être de plus grandes dimensions.
Ainsi, un espace annulaire, d'une part, qui entoure l'ensemble formé par l'élément conducteur thermique annulaire 24 qui entoure le premier élément de mesure 18, ce dernier et l'élément chauffant 16 et, d'autre part, qui est agencé entre les éléments 20 et 22 est occupé par un matériau isolant thermiquement 21 conformé sensiblement suivant une forme d'anneau. Le deuxième élément de mesure de température (Tb) est positionné au sein de ce matériau isolant. On notera que l'unité de traitement 26 recueille les différentes données provenant du dispositif 25 (puissance induite dans l'élément de chauffe 16) et des deux éléments de mesure de température (Tw) 18 et (Tb) 19 (températures mesurées par ces éléments) via des moyens de connexion 26a et 26b.
Les mêmes autres éléments fonctionnels 25, 25a-b, 26 et 26a, 27 et
28 qui sont représentés sur la figure 1 peuvent également être repris ici pour permettre au capteur de fonctionner.
Le procédé de fonctionnement du capteur équipé de deux éléments de mesure de température permet de s'affranchir d'éventuelles variations de cette température au cours du temps comme on le verra par la suite.
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation du capteur selon l'invention et de son installation dans une paroi 30 d'un contenant 32.
Le capteur 34 illustré à la figure 3 est monté de façon intrusive dans l'écoulement de fluide repéré par la flèche F et fait ainsi saillie par rapport à la paroi 30.
Ce capteur présente une forme générale allongée selon une direction longitudinale et présente, par exemple, une forme sensiblement cylindrique, au moins dans sa partie placée dans l'écoulement.
Plus particulièrement, le capteur 34 comprend les mêmes éléments fonctionnels que ceux décrits en relation avec la figure 1 , à savoir au moins un élément chauffant 36, un premier élément de mesure de température de paroi 38, et au moins un élément d'interface 40 (optionnel).
Le premier élément de mesure de température 38 est placé à la surface de l'élément chauffant 36 dans le flux thermique diffusé par ce dernier.
L'élément d'interface 40 possède deux faces opposées, une face 40a, appelée face intérieure, et une face opposée 40b, appelée face extérieure.
La face intérieure est en contact avec l'élément de mesure 38, tandis que la face extérieure est en contact avec le fluide.
Comme pour la face 20b du capteur 10 de la figure 1 , la face extérieure 40b est représentative de l'état de surface de la paroi 30 du contenant pour les mêmes raisons. Par souci de simplicité, l'élément d'interface 40 est réalisé dans un matériau de même nature que celui de la paroi 30, voire identique à ce dernier.
Les caractéristiques décrites pour le capteur 10 de la figure 1 peuvent également être reprises pour le capteur 34, notamment en termes de rugosité de la face extérieure de l'élément d'interface, de l'épaisseur de cet élément d'interface par rapport à la puissance thermique générée par l'élément chauffant ainsi que de la canalisation du flux thermique par un ou plusieurs éléments d'isolation thermique non représentés sur la figure 3.
Les mêmes éléments fonctionnels 25, 25a-b, 26 et 26a, 27 et 28 qui sont représentés sur la figure 1 peuvent également être repris ici pour permettre au capteur 34 de fonctionner.
Une variante de réalisation du capteur de la figure 3 est illustrée à la figure 4 et les éléments communs ont été repris avec les mêmes références.
Les éléments communs repris ici ne seront pas décrits à nouveau et le capteur 35 conserve les mêmes, caractéristiques, avantages et fonctionnalités que celui de la figure 3.
Le capteur 35 comporte en plus de celui de la figure 3 un autre élément de mesure de température 39 qui a pour fonction de mesurer la température du fluide (deuxième version) de manière continue ou non selon le mode de fonctionnement choisi.
Ce deuxième élément de mesure de température (Tb) est utile notamment lorsque la température du fluide, et plus généralement du process industriel faisant intervenir le contenant, n'est pas connue ou subit de grandes variations.
Le deuxième élément de mesure de température (Tb) est par exemple positionné à une distance suffisante de la zone active pour ne pas être influencé par le flux de chaleur dissipé par l'élément chauffant 36.
Comme représenté sur la figure 4, le deuxième élément 39 est isolé thermiquement de la zone centrale dite sensible dans laquelle est placé le premier élément 38 par l'intermédiaire d'un matériau isolant thermiquement 41 positionné entre .l'élément d'interface 40 et la gaine centrale de l'élément chauffant. L'isolant thermique 41 est par exemple réalisé sous la forme d'une collerette emmanchée sur la gaine centrale. L'isolant 41 est disposé entre la partie du capteur la plus proche de la paroi 30 où est positionné le deuxième élément de mesure de température 39 et la partie du capteur où sont positionnés le premier élément de mesure de température 38 et l'élément chauffant 36 (partie d'extrémité).
On va maintenant décrire le procédé de fonctionnement du capteur décrit ci-dessus et illustré sur les figures 1 à 4.
Ce procédé a pour but de mesurer ou de détecter l'encrassement formé ou en cours de formation à la surface extérieure du capteur qui est en contact avec un milieu de mesure particulier.
La ou les substances formant le dépôt d'encrassement se déposent à la surface d'un élément d'interface en contact avec le fluide (ex : élément 20 ou 40 sur les figures 1 à 4) ou directement sur l'élément ou le premier élément de mesure lorsqu'il n'y a pas d'interface spécifique).
Le procédé décrit ici prévoit de générer un flux thermique homogène et contrôlé dans l'élément chauffant du capteur à partir d'un signal d'excitation périodique appliqué à cet élément chauffant.
La puissance thermique dissipée par l'élément chauffant (par effet Joule à partir d'un courant électrique injecté) est donc une fonction périodique du temps pour laquelle il est possible de choisir la forme du signal, son amplitude et sa fréquence.
Plus particulièrement, un signal d'excitation modulé en fonction du temps est appliqué à l'élément chauffant de façon continue pendant le temps durant lequel on souhaite mesurer ou détecter un encrassement sur le capteur.
Le flux thermique résultant est représenté par un signal variant de façon périodique au cours du temps (flux modulé).
On notera que l'amplitude du signal d'excitation est par exemple choisie en fonction de la sensibilité souhaitée du capteur.
Le signal peut revêtir différentes formes (sinusoïdale, en dents de scie, en créneaux ...). Toutefois, la forme sinusoïdale est présentée dans les exemples qui suivent car elle est la forme la plus facile à utiliser.
On notera qu'en fonction de l'encrassement (nature, épaisseur, propriétés thermophysiques...) la fréquence du signal d'excitation peut être adaptée.
A titre d'exemple la puissance dissipée peut être une fonction sinusoïdale du temps. Dans ce cas, le courant circulant dans l'élément chauffant s'écrit sous la forme :
Figure imgf000022_0001
où A désigne l'amplitude des oscillations en courant [A], f la fréquence d'utilisation du capteur [Hz] et t le temps écoulé [s]. De cette façon, la puissance dissipée est de forme sinusoïdale et s'écrit :
p = Rj(tf = R.— .(l + œs(2.π.fή) où R désigne la résistance électrique de l'élément chauffant.
La densité de flux thermique maximale dissipée à la surface de l'élément sensible du capteur est déterminée par l'amplitude des oscillations (courant maximum) choisie.
On notera que le procédé prévoit de mesurer un signal de réponse en température par le premier élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, comme expliqué précédemment en relation avec les figures 1 à 4, placé dans le flux thermique diffusé par l'élément chauffant.
La résolution de l'équation de conservation de l'énergie, dans les conditions particulières décrites ci-dessus, permet de connaître l'élévation de température à la surface du capteur due à la formation, puis à la croissance d'un dépôt. Equation de conservation de dT
p- Cp = V » (λ - VT) + σ - Vt/ 2 + Φv Eq. 1 l'énergie : dt w2 τ, 92T 1 dT 82T X d2T , , , , avec V T = 1 1 1 en coordonnées cylindriques
dr2 r dr dz2 r2 da 2
* 2 r.
w2 τ, S T d x izTr. d X izTr, , ,
V T = 1 1 en coordonnées cartésiennes
dx2 dy2 dz2
L'équation de conservation de l'énergie (Eq.1 ) intègre un terme d'accumulation de chaleur ( p - c ), un terme de transfert de p dt
chaleur (V " (A - Vr)), un terme de génération de chaleur par effet Joule [ σ-|vt/|2 ] et un terme de dissipation visqueuse (Φv) négligeable dans les conditions présentes.
De cette manière, la résistance thermique induite par un encrassement et donc son épaisseur peuvent être estimées en temps réel et en continu au sein du contenant (par exemple, la conduite illustrée sur les figures 1 à 4).
Dans chaque configuration de capteur (figures 1 à 4), les mesures effectuées (I, U et Tw) sont identiques. On notera toutefois que seule la présence d'un deuxième élément de mesure de la température du fluide diffère (figures 2 et 4).
Dans la seconde configuration (figures 2 et 4), cette température Tb est mesurée simultanément avec les autres variables.
En revanche, dans la première configuration (figures 1 et 3), la température du fluide est, de façon générale, déterminée à partir du signal de réponse en température fourni par le premier élément de mesure de température (Tw) et, plus particulièrement, à partir d'une ou de plusieurs valeurs minimales de ce signal.
Par exemple, la température du fluide est interpolée linéairement (ou par un polynôme) à partir d'au moins deux valeurs minimales enregistrées sur au moins deux périodes du signal de réponse en température. Idéalement, l'environnement hydrodynamique du capteur et plus spécifiquement de l'élément sensible, se trouve sous des régimes hydraulique et thermique non établis (couches limites thermique et/ou hydraulique en développement). Le transfert thermique à la surface du capteur se fait donc par convection forcée et le coefficient de convection moyen ou local peut être calculé à partir des corrélations semi-empiriques entre invariants de similitude. Si les conditions d'implantation du capteur sont optimisées (résistance minimale offerte à l'écoulement), alors le coefficient de convection sera élevé (>qq 1000Wm"2. K"1), ce qui induit une température de pincement (Tw-Tb) tendant vers zéro. Compte tenu de ces conditions, la densité de flux imposée à la surface du capteur peut être ajustée de manière à (i) avoir une sensibilité optimale par rapport à la détection d'un encrassement et (ii) contrôler toute surchauffe pariétale incompatible avec le process et/ou le milieu de mesure.
Quels que soient le mode de fonctionnement retenu, à savoir Régime Thermique Permanent ou lnstationnaire (RTP ou RTI) et la configuration adoptée (un seul ou deux éléments de mesure de température), les variables acquises permettent de déterminer la différence de température entre le fluide et la surface du capteur, tout en contrôlant la puissance dissipée grâce aux mesures de l'intensité et de la tension aux bornes de la résistance (élément chauffant(s)).
Dans un cas particulier de fonctionnement du capteur (RTP), la puissance thermique dissipée est constante et la fréquence d'excitation est donc nulle (f=0Hz). L'équation de conservation de l'énergie se simplifie (dT/dt=O) et se résout de façon particulièrement simple pour calculer la résistance thermique du dépôt formé sur l'élément sensible. L'épaisseur de l'encrassement est estimée à partir de la dérive de la surchauffe pariétale qui est égale à :
AT = T - T1, = - - + - pour une géométrie cylindrique
2 - π - L h - (r + e) λΛ
AT = T - Tb une géométrie plane
Figure imgf000024_0001
Lorsque les températures du fluide et de peau sont simultanément contrôlées elles permettent une estimation instantanée (en temps réel) de la résistance thermique conférée par le dépôt de la couche d'encrassement.
On peut alternativement concevoir que seule la température du fluide est mesurée lors des phases inactives (non chauffe) et que seule la température d'interface est mesurée lors des phases actives (chauffe). Une interpolation linéaire (ou polynômiale) à partir des valeurs de la température du fluide avant et après chaque période active permet alors d'effectuer un calcul a posteriori de la résistance d'encrassement.
Lorsque la fréquence du signal d'excitation n'est pas nulle (dT/dt≠O avec f>0 Hz), le capteur fonctionne par définition en régime thermique instationnaire et la puissance dissipée suit une fonction périodique du temps comme déjà mentionné plus haut. La réponse de la température de paroi (Tw) suit alors une fonction périodique de même fréquence que la puissance dissipée (même fréquence que le signal d'excitation) et d'amplitude (ΔTW) différente. On réalise ainsi une modulation de la surchauffe pariétale pendant que l'on cherche à mesurer ou à détecter un encrassement du capteur, et donc de la paroi exposée au fluide. Par ailleurs, le signal de réponse en température présente un déphasage avec le signal d'excitation.
De manière à s'affranchir des variations éventuelles de la température du fluide au cours du process, on peut former un signal à partir de la différence des températures de paroi et du fluide (Tw-Tb) afin de traiter et d'analyser le signal résultant.
On notera que le capteur peut également fonctionner en régime thermique instationnaire (RTI) en alternant des phases actives (chauffe) et des phases inactives (non chauffe), le suivi de l'encrassement se faisant durant les phases actives.
D'un point de vue théorique, l'homme du métier peut résoudre les problèmes de transfert thermique relatifs à la conduction thermique en régime instationnaire (Léontiev, 1979, Lamvik, 1980, HEDH, 1983, Fukai et al., 1991 , Czarnetzki et al., 1996, Taine et Petit, 2003, OuId Lahoucine C, 2004, Khaled, 2008, Techniques de l'Ingénieur par A. Degiovanni ou encore D. Tsacalos) soit analytiquement, soit numériquement ou bien expérimentalement. Il se focalisera plus précisément sur la réponse des systèmes à une sollicitation périodique en régime forcé dans une géométrie définie. L'analyse des phénomènes de diffusion et de propagation permet d'établir des expressions (réponses locales et temporelles) de l'amplitude thermique et du déphasage en fonction des propriétés thermo-physiques du dépôt (épaisseur, conductivité thermique, chaleur spécifique).
De façon générale, un traitement approprié des mesures expérimentales (signal de réponse en température ou signal formé de la différence des températures (Tw-Tb) et signal d'excitation) permet d'obtenir l'amplitude des oscillations (ΔTW) en température et le déphasage (φ) de la réponse thermique par rapport aux oscillations de l'excitation en puissance à partir des fonctions d'atténuation (A) et périodique (B) : T(x, y, z, t) = A(x, y, z)• B(x, y, z, t)
avec A :
Figure imgf000026_0001
atténuation et B : fonction périodique
On notera qu'un traitement est ainsi effectué sur chacun des signaux :
- signal de réponse en température (Tw) ou signal formé (Tw-Tb) selon la configuration retenue et
- signal d'excitation,
afin d'extraire pour chaque signal son amplitude et sa phase à la fréquence d'excitation choisie.
L'obtention de la phase de chaque signal permet ensuite de déterminer le déphasage entre les signaux.
L'amplitude et le suivi de l'évolution du déphasage par rapport aux conditions propres (sans encrassement) permettent de suivre l'encrassement et de déterminer les propriétés thermiques du dépôt comme on le verra ultérieurement.
Plus particulièrement, on va choisir de se placer dans le cas où l'on traite par exemple par une transformée de Fourier, d'une part, le signal périodique formé par la différence des températures (Tw-Tb) pour s'affranchir des éventuelles variations de température du fluide et, d'autre part, le signal d'excitation périodique.
La formule ci-dessous montre le résultat d'une transformée de Fourier rapide_appliqué à un signal discret x[n] défini dans le temps, le résultat étant un signal défini dans le domaine fréquentiel :
Figure imgf000027_0001
Le calcul de la différence des températures (Tw-Tb) dépend de la configuration utilisée, à savoir si la température du fluide est mesurée directement (configuration des figures 2 et 4) ou estimée par un traitement approprié (configuration des figures 1 et 3).
Dans la configuration des figures 2 et 4 et en phase active (chauffe), la différence des deux températures mesurées par les deux éléments de mesure respectifs, Tw et Tb, est calculée de façon continue et en temps réel. Cette double métrologie permet de s'assurer que la réponse thermique (Tw) sur l'élément sensible en présence d'un encrassement est correcte. Cette dernière doit périodiquement atteindre un minima égal à la température du fluide. Dans le cas contraire, la fréquence de travail et/ou la puissance dissipée doivent être modifiées de manière à éviter toute dérive induite par l'inertie thermique du capteur en présence de l'encrassement (effets capacitif et conductif thermiques).
Dans la configuration des figures 1 et 3 et en phase active, la température du fluide n'est pas mesurée. La température du fluide peut être déterminée par une méthode de régression (e. g. linéaire ou polynomiale) à partir des minima de la température pariétale mesurée sur la zone active sur une (ou plusieurs) période(s). Dans cette configuration, c'est la différence entre la température Tw et la température du fluide estimée qui est calculée a posteriori, c'est-à-dire avec un retard d'au moins une période.
Le calcul de l'amplitude des oscillations peut par exemple être effectué en n'utilisant qu'une seule période (glissante). Cependant il a été montré que, pour avoir une information fiable sur le déphasage des signaux, il est préférable que le traitement du signal par la transformée de Fourier soit réalisé à partir de l'ensemble des données calculées sur au moins deux périodes d'excitation en puissance.
Par ailleurs, on notera qu'il est envisageable d'effectuer un traitement séparé sur chaque signal afin d'obtenir séparément l'amplitude et la phase de chaque signal.
Ainsi, on effectue quatre traitements au total, deux sur chaque signal. A titre d'exemple, on applique une première transformée de Fourier sur une période de chaque signal afin d'obtenir rapidement l'information d'amplitude et une deuxième transformée de Fourier sur cinq périodes du signal afin d'obtenir de façon fiable la phase de chaque signal.
L'épaisseur de la couche d'encrassement est déterminée à partir de l'amplitude provenant du traitement de signal précité et en utilisant les formules mentionnées plus haut qui fournissent la différence de température Tw-Tb (selon la géométrie retenue). Lorsque la fréquence d'excitation et la puissance sont adaptées on remplace Tw-Tb par l'amplitude. La résolution des équations suivantes permet d'accéder aux propriétés thermiques du dépôt, une fois l'amplitude et le déphasage obtenus :
Dans le cas présent, l'équation de conservation de l'énergie se simplifie et s'écrit :
Figure imgf000028_0001
où a est la diffusivité thermique du dépôt en m2/s
λ
a =
P-Cp
λ est la conductivité thermique (W/(m.K)) , p la masse volumique
(kg/m3) et Cp la capacité calorifique (J/Kg/K),
avec les conditions initiales suivantes :
Figure imgf000028_0002
τ(θ, t) = To + Ta.∞s(ωj)
-À^M = h(T(e,t)-T0) L'homme du métier sait résoudre l'équation (1 ), trouver une solution
T(x,t) et calculer la diffusivité thermique a à partir des paramètres d'amplitude et de déphasage contenus dans l'expression de T(x,t). Par voie de conséquence, il a accès à la conductivité thermique du dépôt λ s'il connait sa chaleur spécifique Cp et inversement.
Les données mesurées par un capteur selon l'invention (figure 4) équipé de deux éléments de mesure de température (flux dissipé [VWm2], température du fluide [°C] et température à la surface de la zone active [°C] en RTP et RTI) sont représentées sur la figure 5 pour une résistance thermique (Rth) connue et égale à 0,00375 K/W et un fluide mécaniquement agité (régime turbulent) dont la température est maintenue constante.
Cette figure montre sur la partie gauche (entre 0 et 40s) une phase inactive (non chauffe, Tw=Tb), puis entre 40s et 400s, le fonctionnement du capteur en régime thermique permanent (première partie d'une phase active sur la figure 5). Dans ce régime permanent le flux thermique (puissance thermique dissipée par l'élément chauffant) est constant (f=0Hz et signal d'excitation de valeur constante et non nulle) et la température mesurée par le premier élément de mesure (Tw) est constante.
Sur la partie droite de la figure (au-delà de 400s), le capteur fonctionne en régime thermique instationnaire durant une deuxième partie de la phase active : le flux thermique varie de façon périodique au cours du temps et le signal de réponse en température fourni par le premier élément de mesure (Tw) suit l'excitation périodique avec, toutefois, un déphasage par rapport à l'excitation, ce qui traduit un encrassement.
On notera que l'encrassement est mesuré ou détecté lors du fonctionnement du capteur en régime thermique instationnaire.
La température du fluide (Tb) est, quant à elle, mesurée en permanence par le deuxième élément de mesure.
La figure 6 illustre les mêmes données mesurées dans un environnement semi-industriel pour lequel la température du fluide subit des variations aléatoires. Sur cette figure, la différence de température (Tw-Tb) calculée entre la température (Tw) à la surface de la zone active et la température du fluide est représentée (ΔT [°C]). Ce sont ces données (puissance et différence de température (Tw-Tb) ) qui sont ensuite traitées avec, par exemple, la transformée de Fourier afin d'extraire l'amplitude et la phase de la réponse thermique, ainsi que l'amplitude et la phase de l'excitation. Sur cette figure, le fonctionnement du capteur en RTP est référencé par le chiffre 1 et le fonctionnement en RTI par le chiffre 2.
La figure 7 illustre l'évolution, en fonction de la résistance thermique (c'est-à-dire de l'épaisseur du dépôt), de la différence de température (Tw-Tb), de l'amplitude des oscillations et du déphasage.
Lors d'une phase d'encrassement, ou plus largement lors du suivi de l'épaisseur d'un dépôt, la différence de température (dans le cas des RTP) ou l'amplitude des oscillations et le déphasage (dans le cas des RTI) évoluent au cours du temps.
La figure 8 montre, lors d'une phase de suivi d'encrassement en environnement semi-industriel, l'augmentation au cours du temps de l'épaisseur du dépôt en alternant des phases suivant lesquelles le capteur fonctionne en RTP (f = OHz) ou RTI (f = 12,5mHz dans l'exemple).
En RTI, il est important de choisir une fréquence de travail adaptée qui est fonction de l'inertie thermique du système et de la résistance thermique à mesurer. Comme représenté sur la figure 9, pour une résistance thermique donnée, l'amplitude thermique se rapproche idéalement du ΔT mesuré en RTP pour une fréquence aussi faible que possible, le choix de cette fréquence ayant une influence certaine sur la réponse du système. Il est à noter qu'en conditions propres (Rth = 0 K/W), la fréquence choisie n'a aucune influence sur la réponse obtenue tant que l'inertie thermique du capteur est négligeable.
Comme représenté sur la figure 10, pour une résistance thermique donnée, l'amplitude thermique augmente linéairement avec la densité de flux générée, quelle que soit la fréquence d'excitation.
On notera par ailleurs que l'augmentation de la fréquence d'excitation peut avoir une influence (par exemple une diminution) sur la réponse en amplitude thermique non représentative de l'épaisseur du dépôt à la surface du capteur. Par voie de conséquence, il est nécessaire, soit de connaître ou d'évaluer la résistance thermique à mesurer, soit de comparer l'amplitude thermique mesurée à la réponse (ΔT [°C]) obtenue en RTP sur une période donnée pour choisir la fréquence d'excitation appropriée (figure 11 ).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure ou de détection de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide, le procédé comportant les étapes suivantes :
- application à au moins un élément chauffant d'un signal d'excitation modulé de façon à ce que ledit au moins un élément chauffant génère et diffuse un flux thermique homogène contrôlé qui varie de façon périodique au cours du temps, le signal d'excitation étant appliqué en continu pendant le temps durant lequel l'encrassement est mesuré ou détecté ;
- mesure d'un signal de réponse en température par un élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, d'une part, placé dans le flux thermique homogène contrôlé ainsi diffusé et, d'autre part, en contact avec le fluide de façon directe ou indirecte par l'intermédiaire d'au moins un élément d'interface ;
- détermination de l'encrassement formé sur l'élément de mesure de température ou sur ledit au moins un élément d'interface à partir du signal de réponse en température et du signal d'excitation.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la température du fluide (Tb) à partir du signal de réponse en température.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température du fluide est déterminée à partir d'un ou de plusieurs des minimas du signal de réponse en température.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mesure de la température du fluide (Tb) par un élément de mesure de température placé en contact direct ou indirect avec le fluide et isolé thermiquement dudit au moins un élément chauffant.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mesure de la température du fluide (Tb) est réalisée en continu.
6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de formation du signal (Tw - Tb).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- traitement du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb) ;
- en fonction du résultat de l'étape de traitement, détermination de l'amplitude du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de traitement étant également effectuée sur le signal d'excitation, l'étape de détermination conduit également à la détermination du déphasage du signal de réponse en température (Tw) ou du signal formé (Tw - Tb) avec le signal d'excitation.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le traitement appliqué aux signaux est une transformation de Fourier rapide (FFT).
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte plus particulièrement une étape de détermination de l'état d'encrassement et/ou des propriétés thermiques de l'encrassement en fonction de l'amplitude et/ou du déphasage ainsi déterminés.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de sélection de la fréquence du signal d'excitation en fonction de l'encrassement.
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la fréquence d'excitation est sélectionnée de façon adaptée à l'inertie thermique du capteur par comparaison entre l'amplitude du signal de réponse en température et la différence de température mesurée en régime thermique permanent, le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation.
13. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la fréquence d'excitation est sélectionnée de façon adaptée à l'inertie thermique du capteur en choisissant parmi plusieurs fréquences celle qui conduit à une amplitude de signal de réponse en température élevée, le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et au ledit moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le flux thermique est sélectionné en fonction de la sensibilité souhaitée pour le capteur et est d'autant plus élevé que la sensibilité souhaitée est élevée, sans toutefois occasionner une surchauffe pariétale trop élevée, le capteur d'encrassement comprenant l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant auquel est appliqué le signal d'excitation.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'élément de mesure de température (Tw), ledit au moins un élément d'interface lorsqu'il est prévu, et ledit au moins un élément chauffant font partie d'un capteur d'encrassement qui est installé dans une paroi du contenant en contact avec le fluide.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le capteur d'encrassement est monté affleurant par rapport à la paroi du contenant.
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le capteur d'encrassement fait saillie par rapport à la paroi du contenant de manière à être placé dans le fluide.
18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le signal d'excitation est adapté pour que, en l'absence d'encrassement du réacteur, l'amplitude du signal de réponse en température soit la plus proche possible de zéro.
19. Système de mesure ou de détection de l'encrassement d'un contenant renfermant un fluide, le système comportant :
- au moins un élément chauffant apte à générer et à diffuser un flux thermique ;
- des moyens d'application audit au moins un élément chauffant d'un signal d'excitation modulé de façon à ce que ledit au moins un élément chauffant génère et diffuse un flux thermique homogène contrôlé qui varie de façon périodique au cours du temps, le signal d'excitation étant appliqué en continu pendant le temps durant lequel l'encrassement est mesuré ou détecté ;
- des moyens de mesure d'un signal de réponse en température par un élément de mesure de température pariétale (Tw) qui est, d'une part, placé dans le flux thermique homogène contrôlé ainsi diffusé et, d'autre part, en contact avec le fluide de façon directe ou indirecte par l'intermédiaire d'au moins un élément d'interface ;
- des moyens de détermination de l'encrassement formé sur l'élément de mesure de température ou sur ledit au moins un élément d'interface à partir du signal de réponse en température et du signal d'excitation.
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