Circuits de refroidissement avec tour aéroréfrigérante

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Introduction

La majeure partie de l'eau, employée à des fins industrielles, est utilisée pour refroidir un produit ou les équipements d'un procédé de fabrication.
Au cours de ces dernières années, l'utilisation de l'eau pour le refroidissement s'est développée en fonction de considérations portant sur l'environnement et sur des mesures conservatoires. Il en résulte que les conditions d'utilisation de l'eau de refroidissement se modifient et continueront à le faire.

Par exemple, dans de nombreuses installations l'eau de refroidissement n'est utilisée qu'en passage direct avant de retourner dans son milieu d'origine. Cela aboutit à un prélèvement d'eau important et une augmentation de chaleur du milieu récepteur.

D'un autre côté, les tours de refroidissement, qui permettent de réutiliser l'eau, ont un rendement tel que les installations de réfrigération modernes, par évaporation et qui utilisent des réfrigérants atmosphériques, voient leur taux de prélèvement sur le cours d'eau diminué de plus de 90 % par rapport à un refroidissement direct par circuit ouvert.
Cela réduit de façon importante la quantité de chaleur qui retourne vers le cours d'eau, mais non dans l'environnement puisque celle-ci est transférée à l'air. Ces changements qui interviennent dans la conception et le fonctionnement d'une installation d'eau de refroidissement ont des répercussions importantes sur la chimie de l'eau dans la mesure où cette eau influe sur la corrosion, la formation de dépôts et l'encrassement potentiel de l'installation.
Ce chapitre passera en revue les installations industrielles qui utilisent l'eau pour le refroidissement, les problèmes de corrosion, de formation de dépôts, et l'encrassement des installations, dans un contexte de légionellose.
On examinera ainsi de quelle façon ces phénomènes influent sur la croissance de biofilm et le risque lié à Legionella.

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Principe des échangeurs de chaleur

Le transfert de chaleur consiste tout simplement à transférer la chaleur d'un corps à un autre, le plus chaud étant la source et le plus froid le récepteur.
Dans les installations d'eau de refroidissement, le produit ou le procédé à refroidir est la source tandis que l'eau de refroidissement est le récepteur.
L'eau de refroidissement n'est généralement pas en contact direct avec la source. Les deux parties sont généralement séparées par une paroi qui doit être bonne conductrice de la chaleur, il s'agit le plus souvent d'une paroi métallique.
Cette paroi qui permet à la chaleur de passer de la source au récepteur est appelée surface de transfert de chaleur et l'ensemble de ces surfaces, rassemblées dans une enceinte fermée, est un échangeur de chaleur.
Dans de nombreux échangeurs industriels, la source et le récepteur sont tous les deux liquides.
Si la source est de la vapeur d'eau, l'appareil est appelé condenseur ; si le récepteur est un liquide que l'on doit vaporiser, l'échangeur est appelé évaporateur.
Le type le plus simple d'échangeur de chaleur est constitué par un tube ou tuyau concentrique situé à l'intérieur d'un autre tube appelé enveloppe. Ceci constitue un échangeur à double enveloppe.
En apportant des améliorations à cet échangeur, on aboutit à des unités plus sophistiquées, qui sont conçues pour augmenter le rendement du procédé d'échange de chaleur, comme par exemple les échangeurs à plaques ou les échangeurs spiralés.
Un autre type simple d'échangeur de chaleur est constitué par un récipient chemisé, avec l'eau froide qui circule dans l'espace séparant les deux parois du réacteur, ce qui permet d'éliminer la chaleur engendrée par la réaction chimique.
Cette conception est identique à celle d'une bouteille thermos, mais dans ce cas, la double paroi est utilisée pour éliminer la chaleur au lieu de servir d'isolant.
Les systèmes à double enveloppe sont connus comme favorisant fortement l'encrassement biologique et minéral.

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Evacuation de la chaleur du système

Une fois que le liquide récepteur a effectué son travail et refroidi la source, il contient de la chaleur qu'on doit dissiper. Ceci s'effectue en transférant cette chaleur dans l'environnement.
Dans le système à circuit ouvert, l'eau froide est prélevée, chauffée et renvoyée dans le milieu récepteur qui, par la suite, deviendra plus chaud.
Les circuits clos ressemblent aux circuits de refroidissement des voitures. L'eau reste confinée dans une boucle quasiment étanche.
Dans les systèmes à recirculation en circuit semi-ouvert, l'eau froide est prélevée, chauffée et renvoyée dans une tour, à contre courant par rapport à de l'air, qui, deviendra plus chaud.
Dans les systèmes à recirculation en circuit semi-ouvert, l'eau s'évapore ; ce changement de phase, qui transforme une phase liquide en vapeur, élimine la chaleur dans l'atmosphère au lieu que ce soit dans la rivière.
L'eau en s'évaporant dissipe environ 555 Kcal par kg d'eau lors de sa transformation en vapeur. Lorsque l'évaporation est utilisée au cours d'un procédé de refroidissement, elle peut dissiper 50 à 100 fois plus de chaleur par kg d'eau utilisé que dans un système où il n'y a pas évaporation (ceci sera expliqué plus en détail dans un prochain paragraphe de ce chapitre).
Transfert thermique dans l'échangeur
Les deux moyens les plus courants pour transférer la chaleur d'une source à un récepteur, en utilisant un échangeur de chaleur sont la conduction et la convection.
La chaleur qui s'écoule de la source chaude traverse la surface d'échange de chaleur par conduction.
Cette chaleur est ensuite éliminée de cette surface chaude par contact direct avec l'eau froide ce qui s'effectue aussi par conduction. Par la suite, cette eau chauffée sera mélangée avec une autre eau froide dans un procédé de transfert de chaleur appelé convection.
Les dépôts qui se forment d'un côté ou de l'autre de la paroi métallique ont une conductivité plus faible que celle du métal lui-même, de sorte que le taux de transfert de chaleur par conduction est réduit par la présence de ces dépôts.
Par exemple, la formation d'un dépôt de carbonate de calcium de 2,5 mm d'épaisseur sur la surface du tube d'un échangeur de chaleur peut provoquer une baisse de coefficient de transfert de chaleur pouvant atteindre 40 %.
Le biofilm se comporte aussi comme un excellent isolant comme le montre le tableau suivant :

Cette réduction signifie que l'eau froide ne peut éliminer efficacement la chaleur contenue dans la source chaude comme l'exige le procédé.
En conséquence, il faut diminuer la production, augmenter le débit d'eau froide, pour tenter de maintenir le même rendement de refroidissement que celui qui existait avant la formation de dépôts. Il arrive souvent que cette dernière solution ne soit pas possible.
Maintenir un circuit de refroidissement propre présente pas seulement un intérêt sanitaire mais aussi un intérêt économique et énergétique évident.
Il n'est pas rare de trouver des circuits surconsommant du courant électrique (mauvais rendement énergétique) de 10 voire 20 %.

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Réfrigération en circuit ouvert

Dans un circuit ouvert, l'eau est prélevée sur l'approvisionnement en eau de l'usine, traverse l'installation de réfrigération puis retourne vers le courant d'eau récepteur. La chaleur a été prélevée sur la source.
La caractéristique principale des systèmes d'eau à passage direct concerne la quantité relativement importante d'eau qui est généralement nécessaire au refroidissement.
Un diagramme de fonctionnement simple d'un système de refroidissement en passage direct est représenté dans la figure suivante :

Les circuits ouverts peuvent, si les températures de peau (couche limite) atteignent 25 °C favoriser le développement de la Legionella.
Le risque n'apparaît qu'aux points d'usage.

Refroidissement avec circulation en circuit clos

Une installation avec un circuit clos est une installation dans laquelle l'eau circule dans une boucle fermée avec une évaporation négligeable, et dans laquelle tous les contacts avec l'atmosphère ou avec tous les autres éléments susceptibles d'affecter la chimie de l'eau du système sont minimes.
Les circuits clos ne conduisent en général pas à une contamination par Legionella pneumophila, toutefois un circuit d'eau chaude sanitaire, sans soutirage comme durant la nuit, est assimilable à un circuit clos et l'on y retrouve les problèmes de corrosion et d'encrassement biologique.

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Refroidissement en circuit recirculé évaporatif semi-ouvert

Dans une installation à recirculation en circuit semi-ouvert, il est ajouté une tour de refroidissement pour dissiper la chaleur qui a été prélevée au cours d'une opération ou à partir d'un produit.
Dans une installation à recirculation en circuit semi-ouvert, on pratique le principe de réutilisation de l'eau, en effectuant un appoint d'eau douce suffisant pour équilibrer la perte en eau par évaporation et la purge.
Cela réduit de façon importante les besoins en eau (par exemple le captage sur une rivière) et les rejets comme le montre la figure ci-après :

Les définitions qui suivent sont utilisées pour expliquer le fonctionnement d'un système à évaporation et permettre au technicien d'en calculer les performances.

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Débit de circulation (Qc)
Le débit d'eau qui est pompé dans le bassin de la tour, traverse en totalité la boucle de refroidissement, en refroidissement au passage, un certain nombre d'échangeurs.
La connaissance du débit Qc est important cal il doit correspondre aux caractéristiques de la tour.

La courbe de la pompe qui est généralement fournie par le fabricant, indique le débit de recirculation en fonction de la charge ; un indicateur de pression placé sur le refoulement de la pompe doit permettre dévaluer le débit avec une précision raisonnable.

Ecart de température (DT)
Ce terme indique la différence qui existe entre la température moyenne de l'eau qui retourne vers la tour, comme le montre le schéma plus haut, après avoir traversé les échangeurs de chaleur (T2) et la température moyenne de l'eau après évaporation (T1) (celle que l'on mesure dans le bassin de la tour ou après la pompe de recirculation).

Evaporation (E)
Il s'agit de l'eau qui se dissipe dans l'atmosphère au cours d'un procédé de refroidissement (en m3/h). Le taux d'évaporation dépend de la quantité d'eau à refroidir (Qc) et de l'écart de température (DT).
De façon, empirique, on évapore 1 % du débit de recirculation (Qc) pour chaque chute de 5,6 °C de température à travers la tour de refroidissement.
Par conséquent un D T de 11°C à travers la tour de refroidissement provoque une perte par évaporation d'environ 2,0 % du débit de recirculation.

E = Qc x (T2 -T1)/560

L'importance de l'évaporation qui peut avoir lieu dans une tour de refroidissement donnée, est limitée par l'humidité relative de l'air. L'humidité relative se détermine en mesurant les températures du thermomètre humide et sec de l'air.

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Rapport de concentration
L'eau d'appoint d'une installation d'eau de refroidissement à recirculation contient des impuretés en solution.
L'eau qui s'évapore donne une vapeur pure d'H2O et abandonne ses propres impuretés.
Le taux de concentration en sels de l'eau de recirculation (Cs) par rapport à celui de l'eau d'appoint (C) est le taux de concentration.
et puisque les matières en suspension qui entrent, doivent être égales à celles qui sont purgées :

A x C = P x Cs

A représente le débit d'appoint et P le débit des pertes en eau concentrée.

P = Pv + Pi + Ev

Pv: purges volontaires destinées à déconcentrer le circuit
Pi: les purges involontaires (fuites..)
Ev: entraînement vésiculaire: gouttelettes d'eau, éventuellement contaminées quittant la tour, entraînées par le courant d'air du ventilateur

Par conséquent, le taux de concentration est aussi : Rc = A/P

L'eau circule d'un bassin situé au bas de la tour jusqu'au sommet de la tour et s'écoule ensuite à travers une structure prévue pour créer une large surface humide, appelée garnissage (ou packing) à travers laquelle l'air doit passer.
A ce jour, de grandes tours, dites à tirage naturel, comme celles utilisées dans les centrales électriques, n'ont pas été impliquées de manière formelle dans le déclenchement de la légionellose.
Les tours de refroidissement devraient être éloignées du voisinage de l'arrivée d'air et autres ouvertures, des bâtiments, et lieux d'accès au public. L'excellente étude menée par le Docteur P.A. Cabanes du service des études médicales d'EDF et qui a été présentée lors du colloque organisé par le CSTB le 16 décembre 1999 (contamination des réseaux par les légionelles - les sources d'exposition dans le bâtiment - Bilan des connaissances ) confirme ce fait.
L'influence des bâtiments alentours tout comme la direction des vents dominants devrait être prise en compte lors du choix de l'emplacement des tours de refroidissement.

Age de l'eau dans un circuit de refroidissement (temps de résidence de l'eau ou T1/2
Dans un circuit de refroidissement, le temps de résidence moyen de l'eau dépend du volume et de la purge du circuit.
il est égal à :

ln 2 x V/P = 0,7 V/P

avec V le volume du circuit, en m3
P le débit de purge total en m3/h

Catégories de tour de refroidissement
Le schéma usuel des systèmes d'air conditionné est illustré dans la figure ci-après.
L'eau de la tour de refroidissement envoie la chaleur du circuit de réfrigération vers le condenseur en vue d'être redistribuée dans la tour perdant de la chaleur au profit de l'air ascendant par évaporation, convection, et conduction. Le mode de courant d'air (tirage) peut être

- naturel

-forcé

- ou encore induit

Tours à tirage naturel

Dans ce type de tour que l'on retrouve principalement dans les centrales thermiques (Charbonnages de France et EDF) et les centrales nucléaires et plus rarement dans l'industrie, la circulation de l'air se fait naturellement à contre-courant par rapport à l'eau qui tombe en pluie sur le garnissage.
La photographie ci-dessus reprend une tour à tirage naturel hyperbolique.

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Contre courant à tirage induit
C'est le type le plus utilisé, l'air étant acheminé jusqu'au lieu de ruissellement par un ventilateur situé au sommet de la tour.
L'air entre dans la tour par des persiennes situées au-dessus du bassin et est acheminé verticalement à travers la tour, dans la direction opposée (contre-courant) à celle du courant d'eau.
La figure suivante décrit ce type de tour :

Tour à tirage induit et courant croisé (crossflow)

Tour à tirage induit et contre courant

L'air est poussé par un ventilateur latéral (tirage forcé) ou aspiré depuis le sommet de la tour (tirage induit) à travers l'eau qui tombe en cascade dans la tour.
Ce type de tour est très courant en France.
L'air peut aussi passer de manière croisée par rapport à l'eau tombante. L'on parlera de tour de type crossflow (courant-croisé).

Condensateur évaporatif et fluide réfrigérant
Ces unités sont similaires au tour de refroidissement à la fois en principe et en fonctionnement. Toutefois le cœur de la tour de refroidissement est un échangeur et le fluide chaud reste confiné dans un serpentin.
Celui-ci est refroidi par l'eau tournant en " canard " dans la tour.
L'eau est distribuée directement grâce à une rangée de conduite contenant un réfrigérant ou tout autre fluide, mais il n'y a pas de lieu d'échange comme dans les tours de refroidissement, entre le fluide recyclé et l'eau de refroidissement ainsi que l'air.

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Séparateur de gouttelettes (dévésiculeur) et garnissage des tours (packing)
Dans toutes les tours de refroidissement, de l'eau est perdue par évaporation (E), la purge du système (Pv + Pi), et sous forme de brouillard de gouttelettes ou entraînement vésiculaire(Ev).
Le brouillard est la part de l'eau qui circule, entraînée dans les sorties des tours de refroidissement sous forme de petites gouttelettes type aérosols.
Elles sont produites dans l'enceinte de la tour, lors de l'impact de l'eau sur les parois et aussi par le système de distribution d'eau.
Le courant d'air va entraîner les gouttelettes les plus fines en dehors de la tour. Afin de minimiser ces pertes, un dévésiculeur est placé avant la sortie à l'atmosphère de la tour.
Il est important de restreindre la quantité d'eau perdue sous cette forme dans la mesure où elle contient beaucoup de minéraux dissous, de produits chimiques et de micro-organismes incluant la Legionella et d'autres bactéries ou microorganismes.
L'importance des gouttelettes repose sur le fait qu'elles peuvent disséminer la Legionella et d'autres produits chimiques aux alentours. Un séparateur efficace devrait réduire le taux d'émissions de gouttelettes à moins de 0.02 % de la quantité d'eau recirculée Qc.
Le séparateur ainsi que le matériau de la tour devraient être capables de résister à la pression d'un jet d'eau. La disposition du séparateur de gouttelettes devra faciliter son nettoyage, ou son remplacement.
Le séparateur devrait être placé dans un alignement correct, dans la mesure où un mauvais alignement induirait un taux de gouttelettes inacceptable.

forme de dévésiculeur

Les 2 figures qui suivent montrent dans le détail le mode de fonctionnement d'un système classique de récupération des gouttelettes sur le dévésiculeur :

Les micro gouttelettes percutent les chicanes au niveau des excroissances situées en A, B et C.
Les gouttelettes se regroupent et retombent à contre courant par rapport au flux gazeux.
Il est techniquement possible de mesurer les performances d'un séparateur de gouttes.

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L'on trouvera ci-après 2 extraits de dossiers de consultation d'entreprises aux USA faisant bien ressortir la limitation en entraînement vésiculaire.

Extrait DCE entreprise A
Fill - Shall be poly vinyl chloride (PVC) thermoplastic, especially formulated for use in cooling tower applications.
The top and bottom edges of the individual sheets shall be folded over a minimum of 1/2" inch to improve strength.
The finished individual fluted sheets shall be solvent-bonded at all contact points and shall be 27 mils thick with ¾" minimum flute openings.
The fill shall be xxxxx or equal by yyyy. PVC material shall conform to ASTM D1784, Type I, Grade 1, and shall have a flame spread rating of 10 when tested in accordance with ASTM Procedure E-84. The finished fill pack shall be bottom supported from the structural concrete fill support beams.
Fill top surface shall be of sufficient strength to withstand the weight of maintenance workers (approx. 50 lbs./sq. ft.).

NOTE TO ENGINEER - IN SOME CASES THE FOLLOWING FILL WILL BE USED IN LIEU OF PVC FILL.
Fill - The fill shall be of a multi-cell tile design, set without mortar, in a pattern, and of sufficient height to meet the performance specifications. The tile fill shall be hard-burned clay, with a low water absorption such that it will pass a freeze-thaw test conducted in accordance with ASTM C67. Further, the tile fill shall have minimum crushing strength of 2000 psi over the gross area of the tile when the load is applied parallel to the cells as tested in accordance with ASTM C67.
3.Drift eliminators: (séparateur de gouttes)
a.Drift eliminators: shall be of the wave formed PVC type, 15-mil minimum sheet thickness, UV protected capable of supporting maintenance traffic without damage to the top surface. Support shall be of pultruded FRP structural shapes sufficiently sized and spaced to permit a loading of 50 lbs./sq. ft. and shall be suspended from 5/16" diameter (minimum) brass or stainless steel rods connected to stainless steel embeds in the underside of the roof deck.
Drift eliminators supported on the hot water distribution piping shall not be permitted. Allowable drift shall be limited to 0.0005% of circulating waterflow.
Mist eliminators shall have a flame spread rating of 15 or less when tested in accordance with ASTM/E84.
Provide a framed stainless steel access door for passage through the eliminators to the fill. Provide a 24" wide FRP grating maintenance walkway from access opening to the center of each cell. A hot dipped galvanized maintenance access ladder shall be provided from walkway to gearbox.

Extrait DCE Entreprise B

E. The following shall be furnished by the Cooling Tower Manufacturer and installed under factory supervision:
1. Fill Packing Shall be polyvinylchloride (PVC) thermoplastic, especially formulated for use in cooling tower applications. The material shall be cross-corrugated, cellular type with flutes which are oriented 30 degrees from the direction of the air flow. The top and bottom edges of the individual sheets shall be folded over a minimum of 1/2" inch to improve strength. The finished individual fluted sheets shall be solvent-bonded at all contact points and shall be _____mils thick (after forming). PVC material shall conform to ASTM D1784, Type I, Grade 1, and shall have a flame spread rating of 10 when tested in accordance with ASTM Procedure E-84. Individual flute width shall not be less than 1.10 inches. The finished fill pack shall be bottom supported from the structural concrete fill support beams using pultruded FRP I-beams, 3 ft. spacing maximum, to ensure adequate air circulation under the fill pack.
Other support methods such as suspension from above, shall not be acceptable. Fill top surface shall be of sufficient strength to withstand the weight of maintenance workers (approx. 50 lbs./ft2).

2. Drift Eliminators - Cellular 3-pass PVC type, 10 mil minimum sheet thickness with 30 mil minimum PVC stiffeners on 1.5 centers, UV protected PVC type, capable of supporting weight of maintenance workers without damage to top surface. Supports shall be of pultruded FRP structural shapes sufficiently sized and spaced to permit a loading of 50 lbs/ft2 and shall be suspended from 5/16" dia. (min) brass or stainless steel rods connected to stainless steel embeds in the underside of the roof deck (see Sec.3.1). Drift eliminators supported on the hot water distribution piping will not be permitted. Allowable drift shall be limited to 0.0015% of circulating water flow.

Mist eliminators shall have a flame spread rating of 15 or less (ASTM E84). Provide a framed stainless steel access door for passage through eliminators to fill. Provide a 24" wide FRP grating maintenance walkway from access opening to the center of each cell and a stainless steel maintenance access ladder from walkway to gearbox.

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Mise à jour juillet 2001- Révision 1-
copyright IRH Environnement et Jean-Louis ROUBATY 2001