L’eau est utilisée pour arroser, consommer, nettoyer, refroidir, chauffer, pour la préparation de nourriture ou la dilution de produits chimiques, etc. Que ce soit à hautes températures et hautes pressions dans une chaudière à vapeur ou à grands débits et à long terme dans une boucle fermée, l’utilisation de l’eau dans un système apporte son lot de défis. Tous les paramètres de l’eau et tout ce qu’elle contient peuvent s’avérer un problème pour l’opération et l’intégrité des installations. Les dommages causés aux équipements sont susceptibles d’entraîner des risques pour la santé, en plus de la perte d’efficacité des systèmes. Des coûts importants d’opération, d’entretien et de remplacement peuvent être engendrés par une mauvaise stratégie de traitement d’eau.

Tout d’abord, il est important de comprendre les raisons pour lesquelles il y a traitement. Les clients investissent massivement dans l’installation, l’entretien et l’opération de leurs systèmes. En investissant dans les traitements chimiques, ils désirent protéger les équipements et leurs investissements contre la dégradation, mais aussi éviter des arrêts non prévus qui peuvent nuire à l’efficacité et à la rentabilité des opérations.

Chaudières à vapeur
Plusieurs types d’industries utilisent la vapeur dans leurs procédés (cuisson, séchage, chauffage, humidification, stérilisation, etc.) qui est nécessairement produite par une chaudière à vapeur. Il existe plusieurs types de chaudières et une panoplie de conceptions toutes différentes selon les fabricants : électrique, nucléaire, tubes à feu et tubes à eau. Ces deux dernières peuvent fonctionner au gaz naturel, carburant lourd, mazout, charbon ou à la biomasse.

Ces équipements sont des vaisseaux sous pression qui peuvent devenir, si l’opération et l’entretien sont déficients, des bombes à retardement. L’ASME, le British Standards (BS) et l’ABMA suggèrent des balises d’opération, de paramètres, d’entretien et de traitement de l’eau des chaudières pour assurer le bon fonctionnement. Il est primordial que les paramètres de l’eau (Conductivité, pH, dureté, alcalinité, etc.) soient bien contrôlés pour conserver l’intégrité de l’opération, la pureté de la vapeur et la structure des équipements. Les paramètres diffèrent selon le type de chaudière, l’utilisation et la pression d’opération.

Il est important de contrôler l’eau d’appoint et l’eau de la chaudière par des méthodes de prétraitement et des produits chimiques directement dans la chaudière. Le contrôle de la quantité d’oxygène est primordial et l’ASME suggère une concentration maximale d’O2 dans l’eau d’appoint de 7 parties par milliard (ppb). La haute température et la forte pression justifient l’importance du contrôle et du traitement de l’eau, car l’entartrage et la corrosion peuvent causer de graves dommages. Généralement, le taux de corrosion sur l’acier augmente en fonction de la concentration d’oxygène et de la température de l’eau (Banica CE et al., 2002).

Lorsqu’on fait bouillir de l’eau avec une bouilloire, à plus ou moins long terme, il y a généralement formation d’un dépôt au fond et sur les parois en contact avec l’eau. Le même effet se produit dans une chaudière à vapeur, l’eau crée des dépôts sur les surfaces ou dans les tuyaux, réduisant le transfert thermique et l’efficacité de la chaudière. Une température élevée et la forte pression affectent la concentration des minéraux en suspension et dissous dans l’eau, car la solubilité dans l’eau de ces derniers augmente avec la température (The Nalco Water Handbook, 2009). C’est une des raisons pour lesquelles, plus la température et la pression d’opération d’une chaudière sont grandes, plus les limites acceptables des paramètres sont basses. Sans programme de traitement, le nombre de purges sera considérable pour maintenir une concentration adéquate de minéraux. Cependant, une augmentation des purges signifie une utilisation d’une plus grande quantité d’eau et une augmentation de la consommation énergétique pour chauffer cette eau fraîche. Le carbonate de calcium et de magnésium précipitent au fond de la chaudière ou se collent aux parois et inhibent le transfert de chaleur, ce qui crée des zones surchauffées. La précipitation des carbonates peut également former des boues au fond de la chaudière. Il y a alors initiation de la corrosion sous cette couche si les purges de fond ne sont pas correctement effectuées ou suffisamment fréquentes.

Le dioxyde de carbone, qui est un gaz, est emporté avec la vapeur et se retrouve dans les condensats où il est partiellement hydraté pour former de l’acide carbonique (H2CO3) (Colin Frayne, 2002). L’acide carbonique s’attaque à la tuyauterie de retour de l’eau condensée, causant de la corrosion et réduisant l’épaisseur de la paroi. Les tuyaux sont fragilisés et il y a risque de rupture et de blessure si quelqu’un se trouve à proximité. Par exemple, dans une chaudière « tubes à eau », les dépôts peuvent bloquer les tuyaux et les régions sans eau sont ainsi surchauffées ce qui peut conduire à la rupture des tuyaux.

En prétraitant l’eau d’alimentation et en traitant l’eau des chaudières, l’opérateur s’assure que l’équipement reste en bon état. Le traitement de l’eau protège la chaudière contre la corrosion et assure que sa durée de vie soit conforme aux spécifications du fabricant. De plus, le traitement assure une efficacité optimale en gardant les parois propres (favorisant l’échange thermique) et permet une réduction des coûts d’entretien et d’énergie.

Chaudières à eau chaude et boucles fermées
Les boucles ou réseaux fermés sont utilisés pour transporter l’énergie (chauffage ou refroidissement) d’un point A à un point B, entre deux échangeurs. Ces types de systèmes sont multimétaux, il comporte de l’acier à faible concentration de carbone ou inoxydable (alimentaire) pour la tuyauterie, de l’aluminium (chaudière à eau chaude) et du cuivre (échangeurs de chaleur). En climatisation, ce système crée le lien entre le refroidisseur et le système de ventilation par l’entremise d’échangeurs. Certains systèmes de chauffage font appel à des chaudières à l’eau chaude en acier ou en aluminium qui fonctionnent à des températures et pressions moins élevées que les chaudières à vapeur.

Ce type de réseau est rempli directement avec l’eau provenant du système municipal. Les conditions d’opération étant moins extrêmes que les chaudières à vapeur. Il est possible de bien contrôler les paramètres de l’eau avec un programme de traitement chimique sans avoir recourt à des traitements mécaniques.

Généralement, il n’y a pratiquement pas d’apport d’eau dans les réseaux fermés, il y a donc un long temps de contact entre l’eau et les produits, ce qui leur laisse le temps d’agir.

Les réseaux fermés peuvent être divisés en deux groupes : les réseaux pour le chauffage et les réseaux de refroidissement. Ils s’opèrent de la même façon, mais à des températures différentes. Les systèmes à eau chaude opèrent entre une température minimale de 60 °C et une température maximale inférieure à 100 °C. L’eau doit être assez chaude pour éviter le développement de bactéries sans toutefois être sous forme de vapeur.

Puisque le taux d’oxygène dissous dans l’eau est fonction de la température, un réseau d’eau froide demandera donc une plus grande attention et un meilleur contrôle de la concentration d’oxygène. Tel que mentionné précédemment, le taux de corrosion augmente avec la concentration d’oxygène et la température de l’eau. Les systèmes d’eau refroidie opèrent, pour la climatisation, entre 10 et 12 °C (Robert C. Rosaler, 2004). Il existe aussi différents réseaux fermés utilisés dans les procédés industriels servant au refroidissement qui opèrent à différentes températures. L’environnement idéal pour le développement des bactéries se situe entre 25 et 45 °C. Certains produits chimiques servent de nourriture aux bactéries qui peuvent se développer et créer un biofilm. La corrosion et l’encrassement des systèmes sont causés en partie par les biofilms, des dépôts isolants qui réduisent le transfert de chaleur entre la surface d’échange et le fluide caloporteur (The Nalco Water Handbook, 2009).

Les boucles fermées n’ont pratiquement aucune évaporation et l’eau, théoriquement, n’y est pratiquement pas renouvelée sauf s’il y a des bris, des fuites ou des modifications. Il n’y a pas de contact avec l’air ambiant à l’exception des systèmes utilisant des réservoirs d’expansion ouverts à l’atmosphère. Un réseau mal entretenu qui a des fuites devient difficile à traiter, car le taux d’ajout d’eau d’appoint est plus élevé, ajoutant plus d’oxygène, de minéraux et de débris au réseau.