TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES: FONCTIONNEMENT ET MAINTENANCE
GUIDE POUS LES TOUR AÉRORÉFRIGÉRANTES
Toutes les usines industrielles, la météo, le refroidissement ou la production d’énergie sont caractérisées par des émissions de chaleur plus ou moins importantes en termes quantitatifs. Cette chaleur « résiduelle » a, sauf dans certains cas, une contenu à faible énergie qui ne rend pas sa récupération possible ou pratique. Par conséquent, il doit être dissipé à l’extérieur d’une manière ou d’une autre.
- Qu’est-ce que sont les tours de refroidissement, à quoi servent-elles et comment fonctionnent-elles ?
- Que signifie ‘évaporatif’ ?
- Quels sont les composants et matériaux utilisés dans les tours de refroidissement ?
- Quels types de tours de refroidissement existent ?
- Où et pourquoi sont-elles utilisées ? Applications industrielles et civiles.
- Qu’est-ce que sont les purges et leur rôle dans les tours de refroidissement ?
- Comment entretenir et traiter l’eau de refroidissement ?
TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES: QU'EST-CE QUE SONT, À QUOI SERVENT ET COMMENT FONCTIONNENT-ELLES?
Les tours aéroréfrigérantes utilisent la chaleur latente de l'évaporation
Les tours aéroréfrigérantes peuvent encore mieux effectuer le processus d’échange de chaleur de l’eau / air. A l’intérieur, le phénomène d’évaporation se produit en utilisant des composants simples et efficaces. En général, ils ont besoin d’une maintenance minimale.
Pour mieux comprendre comment la dissipation de la chaleur se produit, il est nécessaire de connaître deux concepts:
- Chaleur sensible. La quantité d’énergie calorique qui est ajoutée ou soustraite d’un élément physique (comme une batterie avec ailettes) pour modifier sa température.
- Chaleur latente. Il est essentiellement basé sur le changement d’état qui peut subir une substance en raison de l’incorporation ou de la perte de chaleur. Dans le cas de l’eau, il peut passer d’une phase liquide à une phase solide (glace), si la chaleur est retirée lorsque le point de congélation atteint. Il peut également passer de la phase liquide à la soude (vapeur) si la chaleur est incorporée lorsque le point d’ébullition atteint. La chaleur latente est ensuite définie comme la chaleur qui est introduite ou éliminée pour changer l’état de l’eau. En particulier, dans les systèmes de refroidissement de l’évaporation, la chaleur latente de l’évaporation est définie.
Une tour de refroidissement doit offrir de l’eau comme surface possible du contact d’air, de sorte que l’échange de chaleur est optimal.
Ceci est réalisé au moyen d’une surface d’échange de chaleur, spécialement conçu à cet effet. Cette surface d’échange, la remplissage, doit être sélectionnée en fonction de la qualité de l’eau pour être refroidie, des liquides possibles en suspension, de son efficacité et de La facilité pour la maintenance ultérieure.
QUELLE EST LA TEMPÉRATURE DU BULBE HUMIDE ?
La température du bulbe humide est définie comme la température que nous mesurons si l’air était avec une humidité relative de 100%. Si l’ampoule d’un thermomètre est humidifiée avec de l’eau, l’évaporation de cette eau fait tomber la température du thermomètre.
Plus l’humidité relative inférieure sera inférieure à la température du bulbe humide par rapport à la température ambiante. La température du bulbe humide fournit une référence précise de la température de sortie théoriquement réalisable par la tour de refroidissement.
Profitant de ce concept, les tours de refroidissement peuvent refroidir les liquides bien en dessous de la température ambiante.
L'efficacité énergétique des tours aéroréfrigérantes
Compte tenu de sa simplicité constructive, combinée à la grande efficacité en termes de relation de coût par kW dissipé, les tours de refroidissement restent aujourd’hui le dispositif de refroidissement le plus utilisé à la fois dans la sphère civile et surtout dans l’industriel.
En effet, il n’y a pas de pièce mobile particulière, sauf un ventilateur qui peut être installé à la fois en aspiration et en impulsion. D’un autre côté, la consommation d’électricité est vraiment réduite par rapport aux autres systèmes de refroidissement.
Surtout en présence de grandes quantités de chaleur à se dissiper (par exemple, en acier, des usines chimiques, des plantes électriques), les tours de refroidissement n’ont pas de rival en termes d’énergie électrique utilisée et de l’espace limité requis pour son installation. Dans le même temps, les températures réalisables, en termes d’eau réfrigérée, sont bien inférieures à la température ambiante. Au contraire, les systèmes non évaporatifs sont très soumis à cette limite de température car les systèmes d’évaporation fonctionnent en utilisant une évaporation latente (la limite minimale que l’eau peut atteindre est la température de l’ampoule humide).
COMPARAISON DES TECHNOLOGIES DE REFROIDISSEMENT: RÉFRIGÉRATEURS SECS, ADIABATIQUES, ÉVAPORATIFS ET REFROIDISSEURS
Lorsque vous devez sélectionner un système de réfrigération industriel ou civil, le choix doit être fait en tenant compte des points fondamentaux qui garantissent le système le plus approprié. En particulier, les deux températures de fonctionnement requises et celles liées aux conditions environnementales du site d’installation doivent être prises en compte.
Les systèmes de refroidissement à sec ou les refroidisseurs secs sont basés sur un échange de chaleur sensible. La limite dans ce cas est fixée par la température du liquide de refroidissement, c’est-à-dire l’air ambiant. Ce type de refroidissement peut atteindre des températures minimales d’environ 5 ° C au-dessus de la température ambiante.
Les nouveaux systèmes adiabatiques de paragraphe combinent le refroidissement par air avec une petite évaporation de l’eau qui leur permet d’atteindre les températures de refroidissement similaires à la température ambiante.
Si nous devons refroidir de grandes quantités d’eau ou réduire significativement la température, la meilleure option est d’utiliser une tour de refroidissement. Avec celle-ci, nous pouvons atteindre un refroidissement d’environ 3 °C au-dessus de la température du bulbe humide. Comparée à des options telles que le refroidisseur à air sec (dry cooler) ou le système adiabatique, la tour de refroidissement permet d’atteindre des températures beaucoup plus basses.
Dans des situations nécessitant des températures extrêmement basses, l’alternative serait une machine frigorifique (chiller) ou un refroidisseur. Bien que ces dispositifs aient une consommation électrique élevée, ils sont la seule option viable pour certains cas.
Tout cela nous aide à préciser qu’il n’y a pas de système de réfrigération « bon pour toutes les stations ». Faire un choix approprié est basé sur les exigences de conception et les conditions environnementales. Cela signifie optimiser la consommation d’énergie, en réduisant l’espace avec des systèmes dans des conditions de travail au maximum.
Un chapitre séparé est supprimé représente les unités de refroidissement. Dans ce cas, cependant, ce sont des machines qui utilisent des composants mécaniques spécifiques pour obtenir un refroidissement (compresseurs, évaporateurs) et non des éléments « naturels » tels que l’air ou l’eau.
TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES: TAILLE, COMPOSANTS ET MATÉRIAUX UTILISÉS
Nous savons ce qu’est une tour de refroidissement et le principe physique qu’elle utilise pour maintenir une performance optimale. Ensuite, nous examinerons son processus de construction et, plus important encore, les critères selon lesquels elle est dimensionnée.
Comment dimensionner une tour : l'importance de la température du bulbe humide
Le dimensionnement des tours d’évaporation est réalisé en tenant compte de certains paramètres fondamentaux :
- Énergie thermique à dissiper,
- Température de l’eau entrant dans la tour
- Température que vous souhaitez atteindre en sortie,
- Conditions thermo-hygrométriques (c’est-à-dire, température et humidité) caractéristiques de la zone d’installation.
Cette information spécifique représente une donnée décisive pour un dimensionnement correct. En effet, elle permet d’identifier avec précision le paramètre de la température du bulbe humide. Cela définit les conditions environnementales les « plus défavorables » de la zone d’installation et la limite à laquelle l’eau refroidie par la tour de refroidissement tend à atteindre.
Composants de la tour et matériaux utilisés :
Principaux composants qui distinguent les tours aéroréfrigérantes (tours de refroidissement) à circuit ouvert ou fermé.
- Structure principale de confinement et de support de la tour de refroidissement: peut être en tôle, en fibre de verre ou les deux.
- Remplissage ou paquet d’échange de chaleur (dans les tours à circuit ouvert) ou serpentins d’échange de chaleur .
- Ventilateur axial ou centrifuge : seul dispositif mécanique en mouvement. « Force » l’évaporation de l’eau nécessaire pour le refroidissement.
- Système de distribution d’eau : généralement constitué d’une série de tubes et de buses.
- Séparateur de gouttes: situé immédiatement en amont du ventilateur. A la fonction de retenir les gouttes d’eau, qui seraient autrement entraînées vers l’extérieur par le flux d’air du ventilateur.
TYPES DE TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES
TYPES DE TOURS DE REFROIDISSEMENT ÉVAPORATIVE
Tours aéroréfrigérantes préassemblées en usine et installées sur site
Les tours de refroidissement de type modulaire peuvent être fabriquées aussi bien en métal qu’en d’autres matériaux moins « sensibles » à la présence d’eau et à son éventuel effet de corrosion, comme la fibre de verre. Les tours de refroidissement montées sur site sont construites à partir d’une structure métallique ou avec des profilés pultrudés en fibre de verre, voire même en béton (tours classiques hyperboliques des centrales nucléaires).
Les tours évaporatives à circuit fermé constituent une alternative valable lorsque l’on souhaite refroidir le consommateur de manière « indirecte ». Autrement dit, on préfère que le liquide du circuit de réfrigération ne soit pas contaminé par l’air.
Le même type de refroidissement indirect peut être réalisé avec une tour évaporative à circuit ouvert combinée à un
échangeur de chaleur à plaques ou un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire.
Tour aéroréfrigérant combinée avec des condenseurs refroidis à l'eau.
Les tours de refroidissement sont également utilisées dans le refroidissement civil, mais surtout industriel et commercial. En particulier, on les trouve en combinaison avec le condenseur des unités de réfrigération refroidies par eau – chillers – et aujourd’hui plus que jamais dans les unités d’absorption.
TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES: PRINCIPALES APPLICATIONS INDUSTRIELLES ET CIVILES
Exemples de domaines d'application
À titre d’exemple, nous présentons une liste de domaines d’application industriels ou civils dans lesquels les tours de refroidissement remplissent leur fonction d’élimination de la chaleur des processus.
- Centrales nucléaires, thermiques, géothermiques et au charbon.
- Installations pétrolières et gazières : on utilise souvent de grandes tours de refroidissement industriel.
- Raffineries.
- La production de plastiques et le traitement thermique des métaux (comme les aciéries et les fonderies).
- Cogénération et trigénération.
- Systèmes de climatisation dans les bâtiments civils et industriels (domaine du HVAC).
- Supermarchés en combinaison avec des refroidisseurs.
- Petites installations de production telles que les glaciers.
Solutions standard ou silencieuses
Un autre élément qui influe sur le choix de la solution constructive la plus appropriée est la zone d’installation. Dans un contexte civil (hôpitaux, centres commerciaux, systèmes de climatisation), il est préférable d’opter pour une solution à faible impact acoustique. Dans ce cas, un équipement de refroidissement conçu avec de faibles émissions sonores ou facilement atténuables sera privilégié.
En revanche, dans une zone industrielle, bien que les limites de bruit soient présentées comme une exigence de conception, elles sont certainement moins contraignantes.
Ces dernières années, il y a eu une tendance à orienter le choix dans le secteur civil vers des tours aéroréfrigérantes avec des ventilateurs centrifuges. En revanche, les versions avec des ventilateurs axiaux étaient préférées pour les processus industriels.
De nos jours, il existe des tours de refroidissement avec des ventilateurs axiaux tout aussi efficaces et silencieuses.
Une solution pour chaque installation: la collecte d'informations
Enfin, il est également nécessaire de connaître les limites dimensionnelles ou d’autres situations préétablies qui peuvent définir un choix.
Par exemple, dans le cas d’un remplacement, il peut y avoir un réservoir existant ou un espace défini par l’installation précédente qui doit être adapté.
Les différents aspects doivent être discutés au cours de la phase de collecte des données entre le client et le fournisseur. Il incombe au fournisseur de jouer un rôle de « conseiller » auprès du client afin de s’assurer que la proposition est la meilleure d’un point de vue technique et économique.
Comme tous les dispositifs inclus dans un système technologique, les tours aéroréfrigérant nécessitent un programme d’entretien régulier et, en cas de panne, extraordinaire.
En raison de leur extrême simplicité de construction, les tours ne nécessitent généralement pas une attention particulière, mais plutôt l’observation de quelques directives très simples mais efficaces pour les maintenir toujours à leur rendement maximal. La sécurité et l’efficacité vont de pair.
Le traitement de l'eau dans la tour de refroidissement
Les aspects les plus délicats peuvent certainement être liés à la nature de l’eau en circulation. C’est-à-dire, non seulement l’attention portée au type d’eau à refroidir, mais aussi la manière dont cette eau est contrôlée et conditionnée pour éviter qu’elle ne se détériore d’un point de vue physique-chimique.
La qualité de l'eau de refroidissement
De plus, la nature de l’eau à refroidir a une influence considérable. Elle définira le choix des matériaux de construction à utiliser. Comme mentionné précédemment, cela sera également un facteur déterminant pour le choix du remplissage le plus approprié. En présence d’eau particulièrement agressive ou acide, il est préférable d’opter pour des matériaux en acier inoxydable ou en fibre de verre. Cette dernière est intrinsèquement insensible à la plupart des agents chimiques
En revanche, si l’eau peut être contaminée par le processus, entraînant avec elle des impuretés ou d’autres contaminants de diverses natures, y compris organiques, il sera nécessaire d’évaluer le type de remplissage. Parmi les différents types disponibles, on trouve les dispositifs anti-incrustants, les canaux verticaux non croisés et les packs « splash » classiques basés sur le principe de l’entraînement de gouttes, entre autres.
Purges et apports dans les tours aéroréfrigérantes
Les tours évaporatives atteignent leur objectif de refroidissement de l’eau par évaporation forcée d’une certaine quantité d’eau. La quantité d’eau évaporée est directement proportionnelle à la quantité de chaleur à dissiper. En particulier, environ 1 litre d’eau est perdu pour chaque 600 kcal de charge thermique éliminée.
Cela représente l’un des rares aspects « critiques » à gérer dans les systèmes de refroidissement par évaporation par rapport à d’autres technologies de refroidissement.
L’eau évaporée pour obtenir le refroidissement doit être réintégrée dans le circuit. Il est conseillé d’effectuer cette opération en conditionnant la qualité de l’eau. De cette manière, il n’y aura pas d’infiltrations et de dépôts dans le circuit lui-même. Cela est dû au fait que les sels contenus dans l’eau évaporée restent dissous dans l’eau restante, qui augmente en concentration. En résumé, il est essentiel de maintenir sous contrôle le fait que certains seuils ne soient pas dépassés. Normalement, un traitement anticalcaire approprié, une purge partielle de l’eau contenue dans le circuit et un traitement biocide sont plus que suffisants à cette fin.
L’eau évaporée est une conséquence de la chaleur dissipée et ne peut donc pas être modifiée en termes quantitatifs.
L’eau définie comme « purge » peut être modifiée et a pour fonction de maintenir la quantité de sels dissous dans certaines limites
Bonnes pratiques du fabricant de tours aéroréfrigérantes (ou de refroidissement)
Les composants qui constituent les tours de refroidissement bénéficient également d’une gestion correcte. Les échangeurs de chaleur ont une durée de vie plus longue, les moteurs et les ventilateurs fonctionnent dans de meilleures conditions, car une eau corrosive pourrait détériorer les parties les plus sensibles.
En ce qui concerne les pratiques à suivre pour obtenir cette condition, il suffit généralement de suivre les instructions spécifiques fournies par le fabricant. Ils doivent être respectés en ce qui concerne les contrôles et la maintenance périodiques, ainsi que les paramètres chimico-physiques pour l’eau en circulation. Cependant, il existe des directives plus générales, souvent également mentionnées dans les manuels des fabricants, qui fournissent des « bonnes pratiques » valables pour tous les systèmes utilisant des tours de refroidissement. Des organismes prestigieux dans ce domaine sont Eurovent, Cooling Technology Institute ou AEFYT .