sponsoriséEfficacité dans le domaine des technologies de procédés La technologie des fluides pour une efficacité énergétique accrue

La protection du climat, la préservation des ressources et les prix de l'énergie obligent l'industrie des procédés à prendre en compte les aspects économiques et écologiques. « Pas moins, mais mieux », tel est le mot d'ordre. Les composants et systèmes fluidiques, ainsi que les capteurs et les systèmes de régulation, jouent un rôle déterminant dans cette intensification des procédés.

Une activité coûteuse : si l'on en croit l'Office fédéral des statistiques, l'industrie chimique représentait à elle seule 27,9 % des besoins énergétiques de l'ensemble de l'industrie allemande. Cela coûte cher – et pas seulement en raison des crises du prix du pétrole et de la sortie du charbon – et pèse sur le bilan de durabilité. Les économies sont donc à l’ordre du jour, de préférence sans avoir à faire de concessions sur la production. Ce n’est pas si simple, car les installations et procédés modernes sont déjà largement optimisés en termes d’efficacité. Et pourtant, il existe encore des gouffres énergétiques cachés et des potentiels inexploités : cela vaut donc la peine d’y regarder de plus près, notamment dans le cas de processus apparemment secondaires comme la fluidique.

C'est ainsi que, grâce au choix judicieux des composants adaptés, il est possible de réaliser rapidement des économies de plusieurs dizaines de milliers d’euros : Ainsi, les vannes électropneumatiques, qui combinent une commande électronique et un actionnement à air comprimé, font valoir leurs avantages – tels que la sécurité de fonctionnement, des temps de commutation rapides et une mise en réseau aisée – dans de nombreuses applications, de l’industrie des procédés à l’automatisation. Mais il n’y a pas de médaille sans revers : les composants classiques ont toujours besoin d’une certaine quantité d’air comprimé pour maintenir la vanne dans sa position de commande.

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Les experts en fluidique de Bürkert démontrent qu'il existe une autre solution avec les régulateurs de position et de processus SideCONTROL. Facilement montables sur des actionneurs linéaires et rotatifs courants, ils peuvent être commandés via IO-Link, ASI, Profinet, Profibus, Modbus TCP ou Ethernet. Et ce n’est pas tout : les vannes ainsi équipées ne consomment de l’air comprimé que lorsqu’une action de régulation, c’est-à-dire un mouvement de l’actionneur, est effectivement nécessaire. « Grâce à l’utilisation de SideCONTROL, les exploitants réalisent des économies dès la première seconde – même dans les installations existantes », affirme avec certitude Daniel Jakob, expert en vannes chez Bürkert. Cela en vaut la peine : avec une consommation d’air comprimé typique de l’ordre de quelques centaines de litres, il est possible de réaliser des économies de trois à quatre chiffres par vanne, explique le spécialiste en fluidique. Étant donné que, dans une installation industrielle typique, une vanne est rarement isolée, ces chiffres se traduisent par des économies considérables.

Grâce à SideCONTROL, les exploitants réalisent des économies dès la première seconde. Avec des consommations d'air comprimé typiques de l'ordre de quelques centaines de litres, il est possible d'économiser des montants à trois ou quatre chiffres par vanne, même dans les installations existantes.

Daniel Jakob, expert en vannes chez Bürkert

Pour cela, il n'est même pas nécessaire de réaliser une nouvelle installation : les positionneurs SideCONTROL peuvent être montés sur pratiquement tous les actionneurs linéaires et rotatifs, et ce sans avoir à intervenir sur le circuit hydraulique. Le corps de vanne existant et les pièces en contact avec le fluide peuvent rester inchangés lors d’une mise à niveau – et la commande via IO-Link, Profibus, Modbus TCP ou Ethernet garantissent l’intégration dans le système de contrôle de l’installation. Des fonctions telles que X.TUNE ou P.TUNE permettent de régler parfaitement le régulateur de position ou de processus sur la vanne concernée d’une simple pression sur un bouton, expliquent les développeurs. La sécurité du processus est également assurée grâce à une fonction de diagnostic intégrée.

Le corps de vanne, champion de l'économie d'énergie

Il vaut donc la peine de s'intéresser aux petits composants. Même des composants discrets comme les corps de vannes peuvent gagner en efficacité. Vous avez bien lu : même ces corps rigides consomment de l’énergie – d’une part, lors de leur usinage à partir de métal massif, mais aussi lorsqu’ils doivent être chauffés, par exemple lors des processus de stérilisation : Ainsi, pendant le processus SIP (stérilisation en place), une grande quantité de vapeur ultra-pure est nécessaire pour amener les corps de vannes, très massifs, à la température de stérilisation. Parallèlement, cela allonge la durée du changement de lot, car les corps de vanne à parois épaisses ne se réchauffent et ne refroidissent que lentement.

Le calcul est donc simple : plus le corps de vanne est massif et lourd, plus sa fabrication et son nettoyage sont complexes. Une raison suffisante pour que les développeurs de Bürkert intègrent à leur gamme un corps de vanne de construction légère, dont le corps n’est ni fraisé dans un bloc massif ni formé par forgeage mécanique. Le Tube Valve Body est fabriqué à partir d’un tube lisse – non pas par refoulement, mais par hydroformage. Pour ce faire, le tube en acier inoxydable est directement placé dans l’outil et déformé sous une pression interne élevée. Grâce à une répartition ciblée de la pression et à un traitement thermique contrôlé, on obtient ainsi un corps de vanne de forme précise, dépourvu de soudures dans la zone en contact avec le fluide. Mais ce n’est pas tout : comme le corps est formé à partir d’une seule pièce de tube, il présente une épaisseur de paroi identique sur toute sa longueur et est donc particulièrement robuste.

Une vanne classique de 2 pouces est ainsi jusqu’à 75 % plus légère qu’une pièce forgée équivalente, ce qui permet d’économiser des matériaux et de l’énergie tant lors de la fabrication que pendant l’exploitation : en effet, moins il y a de métal, moins il y a de masse à chauffer ou à refroidir. Un exemple de calcul l’illustre clairement : si, pendant le processus de stérilisation, la température est augmentée de 100°, cela peut se traduire par des économies d’énergie de plus de 50 % par cycle SIP. Par ailleurs, les exploitants gagnent ainsi du temps à chaque changement de lot et augmentent la productivité de leur installation, tout en préservant les membranes de vannes sensibles à la température. Dans certaines applications, la durée de vie des membranes peut ainsi être doublée, ce qui allonge considérablement les cycles d’entretien nécessaires.

De la production à la fin de vie d'un composant, en passant par son exploitation, le Tube Valve Body illustre de manière efficace ce à quoi peut ressembler une fluidique durable à tous les niveaux – et quel rôle les composants jouent dans ce contexte.

Cependant, une vanne est rarement utilisée seule, même dans la production pharmaceutique et biotechnologique, où les conduites et les tuyaux sont reliés entre eux pour former des circuits fermés. Cela permet de faire circuler en continu des fluides tels que l’eau pour injection (WFI), l’eau ultra-pure ou des fluides stériles en circuit fermé et de minimiser l’introduction de germes. Au lieu de transporter les fluides via des conduites de dérivation vers les différents points de prélèvement (robinets), le liquide circule en permanence en circuit fermé. Le prélèvement s’effectue à l’aide de vannes à membrane spécialisées en Y et en T, directement sur le flux, afin d’éviter la stagnation de l’eau et, par conséquent, la formation d’un biofilm.

Moins d'espaces morts : des économies lors du nettoyage

Ces systèmes annulaires pouvant accueillir de quatre à dix fluides constituent l'état de l'art depuis les années 80 environ. On y utilise traditionnellement des vannes à membrane standard, ce qui présente toutefois une série d'inconvénients, tels qu'un volume interne important et d'innombrables points de soudure. Le changement de fluide s'avère également difficile : selon la position de montage, une vidange complète des résidus n'est pas toujours possible, ce qui peut entraîner une contamination croisée : les exploitants doivent donc déterminer si et quand des nettoyages intermédiaires sont nécessaires. La position de montage dans l’anneau est également déterminante pour l’effort de nettoyage, qui peut nécessiter beaucoup de matériel, d’énergie et de temps. Dans le cas d’une construction massive, le réchauffement lent prolonge la stérilisation, augmente la consommation d’énergie et soumet les membranes à des contraintes thermiques. Celles-ci s’usent plus rapidement, ce qui entraîne un arrêt de l’installation, des frais d’entretien supplémentaires et une nouvelle stérilisation.

Mais ce qui était à la pointe de la technologie à l'époque de la synth-pop et de la coupe mulet ne l'est plus forcément aujourd'hui : Les vannes multiport telles que le système Robolux de Bürkert combinent des fonctions de commutation indépendantes pour deux processus dans un seul boîtier, avec une seule membrane et un seul double actionneur. Cela permet de réaliser des nœuds complexes comportant un grand nombre de composants et de fonctions, tout en occupant relativement peu d’espace et en offrant de meilleures propriétés fluidiques, expliquent les développeurs. Une telle vanne multiport nécessite environ 40 % d’espace en moins, ce qui réduit d’autant les efforts de nettoyage et la consommation d’énergie de chauffage. Les temps de stérilisation ainsi raccourcis ont également un effet positif sur la durée de vie des membranes et réduisent les besoins en maintenance. Dans d’autres domaines également, comme la séparation des fluides pour les processus de chromatographie, les utilisateurs bénéficient de ces avantages offerts par les vannes à membrane multiport.

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Systèmes d'efficacité pour la régulation de la pression du gaz

Comme pratiquement aucun processus ne ressemble à un autre, il faut des solutions adaptées à chaque application pour économiser de l'énergie et gagner en efficacité. Il n’est donc pas étonnant que Bürkert souhaite accompagner ses utilisateurs tant pour les solutions standard que pour les développements sur mesure, par exemple avec des systèmes de régulation de la pression de gaz. En effet, qu’il s’agisse de produire de l’eau gazeuse, de la bière ou des vaccins, l’atmosphère gazeuse dans les cuves nécessite une surveillance précise. Les systèmes de régulation de pression répondent aux exigences d'hygiène et régulent la pression du gaz avec précision et en toute sécurité de processus. Et ce, non seulement pour les applications sous gaz protecteur, mais aussi pour toutes les applications de pression et de remplissage.

Grâce à cette régulation précise, il est par exemple possible de réduire considérablement la consommation de gaz inerte. Comme ces systèmes fonctionnent de manière totalement autonome – hormis la définition de la valeur de consigne –, les systèmes manuels et imprécis utilisés jusqu’à présent peuvent être automatisés relativement facilement. Dans un deuxième temps, l’intégration dans un système de surveillance permet d’envisager d’autres optimisations des processus. Grâce à leur conception robuste, une longue durée de vie est garantie et les coûts d’entretien élevés liés à la corrosion appartiennent désormais au passé ; en revanche, la disponibilité des installations et la productivité augmentent, tandis que les coûts d’exploitation diminuent, car aucun fluide n’est gaspillé.

Pas plus d'énergie que nécessaire

Lorsqu'il s'agit d'une commutation rapide et automatisée, on utilise souvent des vannes équipées d'actionneurs électromagnétiques. Celles-ci assurent certes une commutation fiable et précise, mais elles consomment également de l'énergie pour maintenir activement la vanne en position « ouverte ». Pour ce type d'applications, le spécialiste de la fluidique Bürkert propose, grâce à sa gamme d'électrovannes, des solutions économes en énergie dotées d'une double bobine et d'un système électronique dit « kick-and-drop » : Dans ce système, la bobine est d’abord sur-excité par une impulsion de tension élevée afin de générer la force d’attraction importante nécessaire à l’ouverture de la vanne. Après quelques millisecondes, l’électronique intégrée dans la bobine moulée passe en mode de maintien à faible consommation d’énergie. La consommation électrique est ainsi considérablement réduite. Grâce à cette faible consommation, l’échauffement propre maximal de l’électrovanne est également réduit, ce qui limite les dépôts et l’entartrage, prolonge considérablement la durée de vie et évite les brûlures. De plus, ces électrovannes se distinguent par leur fonctionnement silencieux et répondent à des exigences élevées en matière de compatibilité électromagnétique (CEM).

Se pencher sur la fluidique : ça en vaut la peine

Le secteur de la fluidique a beaucoup évolué au cours des dernières décennies : même ce secteur, fortement axé sur le matériel, ne peut échapper aux grandes tendances que sont la numérisation, la connectivité et l'efficacité énergétique. Les vannes connectées et numérisées estompent déjà les frontières entre la fluidique et l’automatisation, tandis que des solutions spécifiques efficaces révèlent tout le potentiel des cycles de matières. Cela vaut la peine d’y prêter attention – tant pour le portefeuille que pour le bilan environnemental !

Zoom sur la technologie :

Une vision claire du débit

Une mesure sans contact, même en cas de faible conductivité : telle est la promesse de la technologie FLOWave de Bürkert. Pour cela, les experts en fluidique ne s'appuient pas sur des effets magnéto-inductifs ni sur des éléments intégrés dans le tuyau, mais utilisent des ondes acoustiques de surface (Surface Acoustic Waves, ou SAW). Des capteurs fixés à l’extérieur du tube de mesure envoient une impulsion dans le fluide en écoulement depuis les deux côtés. Le mouvement du fluide entraîne des différences de temps de transit qui permettent de calculer le débit avec précision. Comme aucun élément de mesure ne fait saillie dans le tuyau et que la géométrie de celui-ci reste inchangée, le fluide s'écoule librement, sans zones mortes ni turbulences supplémentaires.

Contrairement aux appareils de mesure magnéto-inductifs, FLOWave n’exige pas de conductivité minimale. Il convient donc également aux fluides faiblement conducteurs, comme l’eau ultra-pure. Selon le modèle, l’appareil mesure également la température et un facteur de densité, ce qui peut aider à détecter les changements de produit ou les écarts dans le processus. Les domaines d’application typiques se trouvent dans l’industrie agroalimentaire et des boissons, ainsi que dans les secteurs pharmaceutique et biotechnologique.