Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Disposif~f de préaaration d'un fluide, notamment d'une boue de forage. procédé
de aréparation et ensemble d'analyse associés.
La présente invention concerne un dispositif de préparation d'un fluide,
notamment d'une boue de forage, du type comprenant
- une pompe, comportant au moins un élément fixe et au moins un
élément mobile par rapport à (élément fixe, ces élëments délimitant au moins
une cavité de pompage ; et
- des mayens de chauffage du fluide.
Ce dispositif s'applique au pompage et au chauffage de fluides,
notamment de fluides thermosensibles, susceptibles de se dégrader à une
température proche de Leur température de chauffage, comme par exemple des
boues de forage.
Lors du forage d'un puits de pétrole ou d'un autre effluent (notamment
gaz, vapeur, eau), il est connu de réaliser une analyse des composés gazeux
contenus dans les boues de forage émergeant du puits. Cette analyse permet de
reconstituer la succession géologique des formations traversées lors du forage
et
intervient dans la détermination des possibilités d'exploitation des gisements
de
fluides rencontrés.
Cette analyse, réalisée en continu, comprend deux phases principales. La
première phase consiste à prélever des échantillons de boue et.à extraire les
gaz
contenus dans ces échantiNons (par exemple composés hydrocarbonés, dioxyde
de carbone, sulfure d'hydrogéne). La deuxième phase consiste à qualifier et
quantifier les gaz extraits.
Dans la première phase, un dégazeur à agitation mécanique du type
décrit dans FR 2 799 790 est utilisé de maniëre fréquente. Ce type de dégazeur
comprend un dispositif de préparation du type précité, comportant une pompe
pour amener la boue dans une cuve d'extraction de gaz, Le dispositif comprend
en outre un module de chauffage de la boue, disposé entre la pompe et ia cuve,
pour porter la température de la boue à des valeurs comprises par exemple
entre
70°C et 120°C, afin de favoriser l'extraction de gaz et
d'augmenter la sensibilité
de l'analyse. A cet effet, la sortie de refoulement de la pompe est reliée à
(entrée
du module de chauffage par une tubulure. Le module de chauffage comprend par
exemple une paroi chauffée indirectement par une résistance électrique, la
paroi
étant plongée dans la boue.
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Toutefois, certaines boues de forage sont des fluides thermosensibles
qui se dégradent à des températures proches de 90°C. Pour porter la
boue à la
valeur de température désirée, ta résistance électrique doit étre réglée, dans
certains cas, à une température supérieure à la température de dégradation de
la
boue. Au voisinage de (a paroi chauffante, la boue se dégrade et,encrasse la
paroi.
L'analyse des gaz doit donc être interrompue périodiquement pour
nettoyer la paroi chauffante, ce qui nuit à la fiabilité des mesures
effectuées lors
du forage. Pour pallier ce problème, la température de chauffage de la boue
est
diminuëe, ce qui détériore Ia sensibilité de l'analyse.
L'invention a pour but principal d'augmenter ta fiabilité de l'analyse des
gaz contenus dans une boue au cours d'un forage, sans détériorer sa
sensibilité.
A cet effet, (invention a pour objet un dispositif du Type précité,
caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont appliqués à fun au moins
des élément fixe et élément mobile pour chauffer ledit élément.
Le dispositif selon (invention peut comporter une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisons
techniquement possibles
- la cavité de pompage est délimitée par au moins deux surfaces
mobiles localement en contact, le déplacement de l'élément mobile par rapport
à
l'élément fixe provoquant le déplacement relatif desdites surfaces localement
en
contact l'une par rapport à (autre, pour assurer le raclage desdites surfaces
;
- l'un desdits élément fixe et élément mobile est un élément femelle
délimitant une cavité, et l'autre desdits élément fixe et élément mobile est
un
élément mâle disposé dans l'élément femelle ;
les moyens de chauffage sont disposés dans l'élément méle ;
- les moyens de chauffage sont disposés dans (élément femelle ;
- il comprend une enveloppe d'isolation thermique disposée autour de
l'élément femelle ;
- ('élément femelle présente une surface interne de forme sensiblement
hëticoïdale, fëlément mâle présentant une surface externe de forme
sensiblement hélicotdale, lesdites surfaces interne et externe délimitant une
pluralité de cavités de pompage disjointés ;
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- félëment mobile est montë rotatif autour d'un axe de rotation et il
comprend des moyens d'entraïnement en rotation de l'élément mobile par rapport
a (élément fixe autour de l'axe de rotation ;
- les mayens de chauffage sont disposés dans l'élément mobile et sont
raccordés électriquement à une source d'énergie électrique à travers les
moyens
d'entraînement en rotation.
L'invention a en outre pour objet un procédé de préparation d'un fluide,
notamment d'une boue de forage, du type comprenant les étapes de
- pompage du fluide entre une entrée d'admission d'une pompe et une
14 sortie de refoulement de la pompe, la pompe comportant au moins un élément
fixe et au moins un élément mobile par rappori à fëlément fixe, ces éléments
délimitant au moins une cavité de pompage ; et
- chauffage du fluide par des moyens de chauffage ;
caractérisé en ce que te chauffage du fluide est assuré par contact de
ce fluide avec une surface de fun au moins des élëment fixe et élément mobile
de la pompe, cette surface étant chauffée par tes moyens de chauffage.
L'invention a également pour objet un ensemble d'analyse d'au moins
un gaz contenu dans un fluide, notamment une boue de forage, circulant dans un
conduit, caractérisê en ce qu'il comprend
- des moyens de prélèvement du fluide dans ledit conduit ;
- un dispositif tel que défini ci-dessus, une entrée d'admission de la
pompe étant reliée aux moyens de prélèvement ;
- des moyens d'extraction de gaz contenu dans le fluide, raccordés à
une sortie de refoulement de ta pompe ; et
- des moyens d'analyse des gaz extraits.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant étre décrit
en regard des dessins annexés, sur lesquels
- la Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'une
installation de forage, munie d'un ensemble d'analyse selon l'invention ;
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe suivant un plan
horizontal d'un premier dispositif de préparation selon (invention ; et
- la Figure 3 est une vue analogue à la Figure 2 d'un deuxième
dispositif de préparation selon l'invention.
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Un ensemble d'analyse de gaz selon l'invention est utilisé par exempte
dans une instaNation de forage 11 d'un puits de production de pétrole.
Comme illustré par la Figure 1, cette installation 11 comprend un
conduit de forage 13 dans une cavité percée par un outil de forage 15 rotatif,
une
installation de surface 17, et un ensemble d'analyse de gaz 19 selon
(invention.
Le conduit de forage 13 est disposé dans la cavité percée dans le
sous-sol 21 par l'outil de forage 15 rotatif. Ce conduit 13 comporte au niveau
de
la surface 22 une tête de puits 23 munie d'une conduite 25 de vidange.
L'outü de forage 15 comprend une tête de forage 27, une garniture de
forage 29, et une tête 31 d'injection de liquide.
La téte de forage 27 comprend des moyens de perçage 33 des roches
du sous-sol 21. Elle est montée sur la partie inférieure de la garniture de
forage
29 et est positionnée dans le fond du conduit de forage 13.
La garniture 29 comprend un ensemble de tubes de forage creux. Ces
tubes délimitent un espace interne 35 permettant d'amener un liquide depuis la
surface 22 jusqu'à la téte de forage 27. A cet effet, la tête d'injection 31
de liquide
est vissée sur la partie supérieure de la gamifure 29.
L'installation de surtace 17 comprend des moyens 41 de support et
d'entraïnement en rotation de (outil de forage 15, des moyens 43 d'injection
du
2Q liquide de forage et un tamis vibrant 45.
Les moyens d'injection 43 sont reliés hydrauliquement à la tête
d'injection 31 pour introduire et faire circuler un liquide dans l'espace
interne 35
de la garniture de forage 29.
Le tamis vibrant 45 collecte dans une cuve 46 de réception de liquide,
1e liquide chargé de résidus de forage, désigné par la suite par « boue de
forage », qui sort de ta condcüte d'évacuation 25 et sépare le liquide des
résidus
de forage solides.
Comme illustré sur la Figure 1, (ensemble d'analyse 19 comprend des
moyens 51 de prélèvement de la boue piqués sur la conduite de vidange 25, un
dispositif 53 de préparation de la boue, des moyens 55 d'extraction des gaz
contenus dans la boue, et des moyens 57 d'analyse des gaz extraits.
Les moyens de prélèvement 51 comprennent une tète 59 de
prélèvement de liquide montée en saïllie dans la conduite de vidange 25, et
une
tubulure 61 de raccordement reliant la téte 59 au dispositif de préparation
53.
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En variante, les moyens de prélèvement sont piqués dans une cuve de
réception du liquide dans laquelle débouche la conduite de vidange 25, par
exemple la cuve 46.
Comme illustré par la Figure 2, le dispositif de préparation 53
5 Comprend une pompe 65 dite u Moineau » munie de moyens de chauffage 67 de
la boue,
La pompe 65 comprend un carter 69 qui délimite une chambre 71
d'admission de la boue, un stator 73 et un rotor 75 qui délimitent une
pluralité de
cavités 77 de pompage disjointes et des moyens 79 d'entrainement en rotation
du rotor 75 par rapport au stator 73 comprenant un arbre d'entraînement 81.
Le carter 69 présente une forme générale tubulaire s'étendant suivant
un axe longitudinal X-X' de la pompe 65.
Dans tout ce qui suit, les termes u amont » et u aval » s'entendent par
rapport au sens de circulation normal du fluide dans l'installation.
Le carier 69 présente, à son extrémité amont 83, une ouverture axiale
85 de réception de (arbre d'entraïnement 81 délimitée par une collerette
annulaire interne prolongée extérieurement par un manchon annulaire 87 de
support.
La chambre d'admission 71 s'étend entre une ouverture latérale 91
d'admission, ménagée au voisinage de l'extrémité amont 83 et une ouverture
axiale de pompage 93 ménagée à (extrémité aval 95 du carter 69. L'ouvertun:
d'admission 91 est raccordée à la tubulure de raccordement 61.
Le stator 73 est montë dans le prolongement axial du carter 69 à son
extrémité aval 95 et comprend une enveloppe extérieure 97 et un garnissage
intérieur 99.
L'enveloppe extérieure 97 est fixée sur le carter 69, dans le
prolongement de l'ouverture de pompage 93. Elle présente à son extrémité libre
un passage de refoulement 101 de la pompe 65.
Le garnissage 99 est fixé sur une paroi interne de (enveloppe 97. II
présente uns surface interne de forme hélicôidale qui s'étend entre
!'ouverture de
pompage 93 et le passage de refoulement 101 _
Dans l'exemple illustré par la Figure 2, la surface hëlicoïdale interne
103 est générée suivant une double hélice effectuant cinq révolutions.
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Le garnissage 99 est réalisé à base d'un matériau élastomère résistant
à la chaleur, et isolant thermiquernent comme par exemple du nitrite ou du
Viton
~.
Ainsi, les pertes de chaleur dans la pompe 65 sont minimisées et le
rendement de chauffage de la pompe 65 est amélioré.
Le rotor 75 comprend un barreau 105 métallique rotatif, monté dans fa
cavité interne délimitée par fe garnissage 99 du stator 73.
Le barreau 105 présente une surface externe 107 hélicaTdale. La
surface externe 107 du barreau 105 est générée par exemple par une hélice
simple, de dimensions choisies pour que la surface interne 103 du garnissage
99
et la surface externe 107 du barreau 105 possèdent une pluràlité de régions
109
de contact. Ces régions de contact 109 délimitent la pluralité de cavités de
pompage alvéolaires 77, étanches les unes par rapport aux autres.
Le barreau 105 est réalisé par exemple à base d'un métal de type acier
inoxydable, ou acier traité en surface par nickelage, ou bronze dont la
conductivité thermique est comprise entre 15 WIm2.K et 200 Wlmz.K. t_a
longueur
du barreau est comprise entre 0,2 m et 0,8 m et sa surface externe 107 entre
5x10-3 mz et '1x10'' mz afin de porter une boue circulant a un débit compris
entre 5
Ilti et 150 I/h à des températures comprises entre 20°C et
300°C.
Le barreau 105 est monté rotatif dans le garnissage 99 autour de Taxe
longitudinal X-X' de la pompe 65. Compte tenu de la configuration relative des
surfâces hélicoïdales interne et externe 103, 107, Taxe central Y-Y' du
barreau
105 est décalé latératernent par rapport à l'axe longitudinal X-X' et
paraltële à cet
axe X-X'.
Ainsi, lorsque le barreau 105 est entraîné en rotation autour de taxe
longitudinal X-X', son extrémité amont 111 décrit un mouvement circulaire
autour
de cet axe X-X'. Par ailleurs, lorsque (e barreau 105 tourne autour de taxe X-
X'
longitudinal, les régions de côntact 109 se déplacent vers l'aval et les
cavitës
alvéolaires 77 se déplacent longitudinalement depuis l'ouverture de pompage 93
vers le passage de refoulement 101 de la pompe 65.
Lors de ce déplacement, les régions de contact 109 balayent toute la
surface interne 103 du garnissage 99 et toute la surface externe 107 du
barreau
105, pour permettre le raclage continu des surfaces interne et externe 103 et
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107, de sorte que les résidus qui se dëposent sur ces surfaces 103 et 107 sont
évacués vers le passage de refoulement 101.
Les moyens d'entraînement en rotation 79 du rotor 75 comprennent,
outre (arbre d'entraînement 81 du rotor 75, un' moteur électrique 121, et des
moyens 123 de transmission entre l'arbre d'entraînement 81 et te rotor 75.
Le moteur 121 est disposé à (extérieur du carter 69. II comprend un
arbre de sortie 125 engrené avec !'arbre d'entraînement 81 pour la mise en
rotation de ce dernier.
L'arbre d'entraînement 81 est monté rotatif autour de l'axe longitudinal
X-X' dans un boîtier 127 creux fixé dans le prolongement axial de (extrémité
amont 83 du carter 69. Des roulements amont 129 sont disposés entre un
étranglement 131 du bottier 127 et (arbre 81.
L'extrèmité aval 133 de (arbre 81 est par ailleurs montée rotative dans
le manchon de support 87 du carter 69 par l'intermédiaire d'un roulement aval
135. L'extrémité aval 133 fait saillie dans fa chambre d'admission 71 à
travers
l'ouverture de réception 85. Un joint annulaire (non représenté) assure
l'étanchéité entre la collerette annulaire et (arbre 81.
Les moyens de transmission 123 comprennent une bielle 141 articulée
d'une part, à (extrémité aval 133 de l'arbre d'entraînement 81, et d'autre
part, à
l'extrémité amont 111 du barreau 105.
Les arüculations 143 entre ia bielle 141 et l'arbre d'enfraînement 81
d'une part, et la bielle 141 et le barreau 105 d'autre pari, comprennent au
moins
deux degrës de liberté suivant deux axes perpendiculaires. Ces articulations
143
sont par exemple de type cardan ou rotule pour permettre à l'extrémité amont
111 du barreau 105 de décrire un mouvement sensiblement circulaire dans un
plan perpendiculaire à Taxe longitudinal X-X'.
Les moyens de chauffage 67 comprennent une résistance électrique
151, une source 153 d'alimentation électrique de cette résistance 159 et des
moyens 155 de raccordement électrique entre cette source 153 et la résistance
151.
La résistance électrique 151 comprend une cartouche chauffante de
forme sensiblement cylindrique disposée dans une cavité 157 de forme
conjuguée, ménagée dans le barreau 105. De préférence, la cartouche présente
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une surface externe comprise entre 2.10-2 mz et 4.10'2 m= et une puissance
thermique comprise entre 1000 W et 4000 W.
La source 153 d'énergie électrique est disposée à l'extërieur du carter
69, au voisinage du moteur 121.
~ Les moyens 155 de raccordement électrique comprennent des
cheminements électriques qui s'étendent entre la résistance 151 et un
collecteur
tournant 159 de Type balai, disposé entre l'arbre de sortie 125 et le moteur
121.
Les cheminements s'étendent à travers successivement le rotor 75, la bielle
141,
l'arbre d'entrainement 81, et l'arbre de sortie 125.
Le collecteur tournant 159 est disposé à l'écart de la résistance
chauffante 151, ce qui (imite son échauffement et assure ainsi son
fonctionnement fiable.
En référence à la Figure 1, les moyens d'extraction 55 sont par
exemple analogues à ceux décrits dans FR 2 799 790. Ils comprennent une
enceinte 201, une conduite 203 d'amenée de boue dans l'enceinte 201, une
conduite 205 d'évacuation de la boue de l'enceinte 201, des moyens 207
d'introduction d'un gaz vecteur dans l'enceinte 201, et une conduite 209
d'extraction des gaz extraits hors de l'enceinte 201.
L'enceinte 201 est munie de moyens d'agitation 211.
La conduite d'amenée de boue 203 s'étend entre te passage de
refoulement 101 de fa pompe 65 et une ouverture d'entrée ménagée dans la
partie inférieure de l'enceinte 201.
La conduite d'évacuation 205 s'étend entre un passage à débordement
ménagé dans une partie supërieure de (enceinte 207 et un bac de rétention 213
destiné à recevoir les boues évacuëes de l'enceinte 201. En variante, le bac
213
est formé par la cuve de réception 46 du tamis vibrant 45.
La boue collectée dans le bac de rétention 213 et dans ia cuve 46 est
recyclée vers les moyens d'injection 43 par une conduite 214 de recirculation
de
boue.
Les moyens 207 d'introduction d'un gaz vecteur dans (enceinte 201
comprennent une prise d'air ou d'un gaz neutre débouchant dans l'enceinte 207.
La conduite d'extraction 209 s'étend entre une ouverture d'extraction
ménagée dans la partie supérieure de l'enceinte 201 et les moyens d'analyse
57.
Elle comprend une ligne de transport 215 et des moyens d'aspiration 217.
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Les moyens d'analyse 57 comprennent une instrumentation
permettant la détection et la quantification d'un ou plusieurs gaz extraits.
Le fonctionnement de fensemb(e d'analyse selon (invention lors du
forage d'un puits va maintenant étre dëcrit comme exemple.
Lors d'une phase de forage, (outil de forage 15 est entraîné en rotation
par l'installation de surtace 41. Un liquide de forage est introduit dans
(espace
intérieur 35 de la garniture de forage 29 par les moyens d'injection 43. Ce
liquide
descend jusqu'à la téte de forage 27, et passe dans le conduit de forage 13 à
travers la tête de forage 27. Ce liquide refroidit et Lubrifie les moyens de
perçage
33. Puis, le liquide collecte les déblais solides résultant du forage et
remonte par
l'espace annulaire défini entre la garniture de forage 29 et les parois du
conduit
de forage 13, puis est évacué par la conduite de vidange.
En référence à la Figure 2, le moteur 121 est alors activé pour
entraîner en rotation (arbre d'entraînement 81 autour de l'axe longitudinal X-
X'.
Le mouvement de rotation de l'arbre d'entraînement 81 est transmis au rotor 75
via les moyens de transmission 123.
Le déplacement relatif du rotor 75 par rapport au stator 73 provoqùe (e
déplacement des régions de contact 109 et par suite, !e déplacement des
cavités
alvéolaires 77 depuis l'ouverture aval 93 vers le passage de refoulement 101.
~ La source d'alimentation électrique 153 est activée. Cette source 153
alimente la résistance électrique 151 via les moyens de raccordement 155. La
résistance 151 est portée à une température comprise entre 50°G et
300°C à sa
surface.
La pompe est auto-amorçante, de sorte que la boue est continOment
prélevée dans la conduite de vidange 25 où dans (a cuve 46 par les moyens de
prélèvement 51, puis convoyée par aspiration à travers fa tubulure de
prélèvement 61 jusqu'à la chambre d'admission 71. La boue pénètre ensuite
dans une cavité 77 adjacente à (ouverture de pompage 93, puis est pompée par
le déplacement vers (aval de cette cavité 77 jusqu'au passage de refoulement
101.
Lors du passage de la boue dans la cavité 77, (a chaleur émise par la
résistance électrique 151 est transmise à la boue par conduction à travers le
barreau métallique 105, puis par convection au niveau de la surface externe
107.
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La température qui règne au niveau de la surface externe du barreau est par
exemple comprise entre 50°C ef 300C.
La boue est ainsi portée à la température désirée, par exemple
comprise entre 70 °C et 120 °C, lors de son passage dans la
pompe 65.
5 Grâce à ta surface d'échange élevée entre la boue et le rotor 75, la
différence de température entre la surface externe 107 du rotor 75 et la boue
est
minimisée, ce qui permet de diminuer notablement (encrassement de cette
surface 107.
t_a boue est ensuite convoyée jusqu'à l'enceinte 201 à travers la
10 conduite d'admission 203. Les moyens d'agitation 211 sont activés pour
extraire
les gaz contenus dans la boue.
Les gaz extraits sont prélevés par la conduite 209 et sont convoyés par
aspiration jusqu'aux moyens d'analyse 57 où ils sont qualifiés et quantifiës.
Dans l'ensemble d'analyse 19 selon (invention, ü n'est plus nécessaire
de prévoir un nettoyage périodique des moyens de chauffage 67 lors du forage,
ce qui améliore considérablement la fiabilité de !'analyse des gaz contenus
dans
1a boue de forage.
En variante, un dispositif de régulation thermique (non représenté)
régule la puissance électrique délivrée à la résistance électrique 151 pour
commander la température de sortie de la boue, prise au niveau du passage de
refoulement 101 ou dans l'enceinte 201.
Dans une deuxième variante illustrée par fa Figure 3, une enveloppe
301 d'isolation them~ique est disposée autour du stator 73, pour diminuer les
pertes thermiques au sein de la pompe 65 et ainsi augmenter fefficac'tté du
chauffage dans cette pompe 65.
Dans une troisiéme variante non représentée, le barreau hélicoïdal 105
est fixe par rapport au carter 69 et (ensemble 73 constitué par ta garniture
99 et
(enveloppe 97 est mobile en rotation autour de l'axe longitudinal X-X'. Cet
ensemble 73 est, dans ce cas, pourvu de moyens d'entraïnement en rotation.
Dans cette variante, les mayens de raccordement électrique 155 sont
dépourvus de collecteur tournant 159 puisque le barreau 105 est fixe.
Dans une quatrième variante, la dimension transversale maximale des
cavités de pompage est augmentée pour recevoir des débris rocheux de tailles
plus élevée.
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Dans une cinquième variante, la résistance électrique 15'1 est disposée
dans le sfator 73.
Grâce à l'invention qui vient d'étre décrite, il est possible de disposer
d'un dispositif de préparation d'une boue de forage, en vue de l'extraction
des
gaz de cette boue, qui porte la boue à une température déterminée, tout en
limitant (encrassement dans le dispositif.
La fiabilité de l'analyse des gaz contenus dans une boue de forage
extraite d'une installation munie d'un ensemble d'analyse selon l'invention
est
donc notablement augmentée par ce dispositif.
Par ailleurs, ce dispositif permet d'augmenter la température à laquelle
la boue est portée avant (extraction des gaz, sans générer d'encrassement
substantiel du disposifif, grâce au raclage continu des cavités de pompage. le
rendement d'extraction des gaz contenus dans la boue est donc amélioré et fa
sensibilité de t'analyse esf accrue.
Ce dispositif limite en outre l'encombrement de l'ensemble d'analyse
disposé en zone explosive, au voisinage du puits.
Le dispositif est par ailleurs adaptable à d'autres types de pompes, par
eXemple à une pompe à piston.
Plus génëralement, le dispositif s'applique au pompage et au chauffage
simultané d'autres fluides thermosensibles comme par exemple du lait.
