Isolation thermique pour service froid

On entend par service froid les applications opérant à des températures inférieures à la température ambiante. Les procédés opérés à des températures inférieures à la température ambiante sont nombreux, et couvrent une plage de température très vaste, de 10°C environ à -273°C qui est approximativement le zéro absolu (0 °Kelvin).
Une bonne isolation thermique est importante pour limiter le réchauffement du procédé par l'atmosphère extérieure. La production de froid nécessite une importante et coûteuse consommation d'énergie mécanique.

L'isolation thermique pour service froid se distingue de l'isolation thermique pour service chaud par la nécessité de limiter la condensation de l'humidité atmosphérique et ses conséquences.
L'humidité est le pire ennemis d'une isolation thermique pour service froid. Lorsque de l'humidité pénètre dans l'isolant, il se condense au contact des surfaces froides. Au mieux, il dégrade seulement la performance thermique de l'isolant. Au pire, si l'humidité rencontre des températures très basses provoquant le gel de l'eau, la formation de glace peut dégrader mécaniquement le système d'isolation empirant encore son manque d'étanchéité. Une telle situation est facilement reconnaissable à l'accumulation de glace visible de l'extérieur.

Caractéristiques d'une isolation pour service froid

La conductibilité thermique

Comme pour les services chaud, la conductibilité thermique de l'isolant doit être la plus basse possible. Plus elle sera basse, plus l'épaisseur d'isolant la surface exposée à l'atmosphère chaude sera faible. Celle-ci dépend de divers facteurs:

• température
• la conductibilité thermique des matériaux augmente avec la température
• l'humidité contenue
• la nature du gaz emplissant les pores du matériau isolant

La perméabilité à l'humidité

Ceci est une propriété très importante et spécifique des isolants en service froid. L'humidité, si elle pénètre au coeur du matériau isolant pourra se condenser dans les zones froides et ruiner la conductivité thermique et donc le pouvoir isolant du matériau.

Coefficient de dilatation linéaire

Pour les matériaux rigides, il doit être aussi faible que possible pour limiter les variations de dimensions lors des changements de température, afin de limiter l'apparition de craquelures pouvant être des voies de pénétration de l'humidité au coeur du matériau isolant.

Compressibilité

Le matériau isolant doit pouvoir résister à une contrainte mécanique (typiquement être piétiné lors des opérations de maintenance) sans se déformer et laisser apparaitre des fissures qui pourraient laisser pénétrer l'humidité.

Types d'isolants

Mousses expansées

Elles sont à base de polyuréthane, de polystyrène, de caoutchouc, de silice ou de verre.
Une structure cellulaire est formée en générant un gaz pendant la fabrication du matériau.
Ces mousses sont généralement les plus efficaces lorsqu'elles sont à cellules fermées.
La conductibilité thermique dépend en partie du gaz utilisé pour l'expansion. Elle peut être aussi basse que 30mW/m/K.

Les mousses rigides en résines de polyuréthane, de polystyrène ou en verre/silice doivent être préformées pour s'adapter parfaitement aux surfaces à protéger. Les éléments préformés sont installés jointivement et cellés entre eux au moyen d'un adhésif pour assurer la continuité de l'étanchéité. Une membrane pare-vapeur est ajoutée pour empêcher la pénétration d'humidité dans la structure isolante.

Matériaux fibreux

Ils sont à base de laine de verre ou de roche.
Leur caractère isolant est dû à la limitation des mouvements de convection du gaz à travers le matériau poreux, en raison de la faible taille des espaces libres.

Matériaux pulvérulents

Ils sont à base de perlite ou de vermiculite. Ce sont des roches naturelles expansées par traitement thermique.
Leur caractère isolant est dû à la limitation des mouvements de convection du gaz à travers le matériau poreux, en raison de la faible taille des espaces libres.
Ils sont appréciés pour remplir, par soufflage, des espaces complexes (coid-box par exemple). Pour les besoins de maintenance des équipements isolés, le matériau isolant peut facilement être retirés par aspiration.

Espace sous vide de gaz

Il s'agit d'une double enveloppe de la capacité à isoler, dans laquelle on fait un vide poussé (10^-4 torr). L'isolation est obtenue par l'absence de matériau pouvant conduire la chaleur, et l'absence de gaz pouvant générer des mouvements de convection. Subsiste néanmoins un transfert thermique par radiation de la paroi chaude vers la paroi froide. Celui-ci peut être éliminé par l'ajout d'un film réfléchissant à l'intérieur de la double enveloppe. La conductibilité thermique apparente peut être aussi basse que 0,1mW/m/K.
La double enveloppe sous vide peut aussi être remplie d'un matériau fibreux ou pulvérulent.  La conductibilité thermique apparente peut être aussi basse que 2mW/m/K.

Mise en oeuvre de l'isolation

Pare-vapeur

L'étanchéité à l'humidité du système d'isolation est assurée par une membrane pare-vapeur disposée en périphérie de l'isolant. Pour certaines applications à très basse température, plusieurs couches d'isolant sont installées, avec une membrane pare-vapeur intercalée entre elles.
L'efficacité du pare-vapeur est mesurée par sa perméance; c'est le débit de vapeur d'eau qui le traverse en fonction de la pression différentielle appliquée. Pour protéger efficacement l'isolant thermique, la perméance du pare-vapeur ne devrait pas être supérieure à 0,5∙10^-9 g/s/m²/Pa.

Protection mécanique

Une protection métallique est souvent nécessaire pour protéger le pare-vapeur des agressions externes (mécaniques, chimiques ou exposition aux UV) qui pourraient dégrader son étanchéité et affecter par la suite les performances de l'isolant.
Les protections métalliques les plus courantes sont faites en:

• aluminium (moins coûteux)
• acier inoxydable (meilleure résistance à la corrosion et au feu)
• acier galvanisé