circuits de refroidissement

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constitution des circuits

Dans un processus industriel de refroidissement, on peut distinguer deux étapes :

  • transfert de la chaleur à évacuer vers un fluide de refroidissement par contact direct ou plus générale­ment indirect grâce à des équipements d’échange thermique ;
  • transfert des calories du fluide de refroidissement vers le milieu environnant.

Les principaux équipements à refroidir sont les :

  • condenseurs et échangeurs thermiques ;
  • réfrigérants d’huile, d’air, de gaz, de liquides ;
  • moteurs, compresseurs ;
  • hauts-fourneaux, fours, laminoirs, coulées continues, convertisseurs ;
  • réacteurs chimiques ;

Le comportement de ces appareils dépend :

  • de leur type de construction (tubulaire, à plaques…) ;
  • du mode de circulation de l’eau (interne, externe, vitesse…) ;
  • des métaux en contact avec l’eau (acier, inox, cuivre et alliages, aluminium…)þ;
  • des matériaux utilisés (béton, bois…) dans l’équipement du circuit.

Trois cas peuvent se présenter (figure 16) ; l’eau chaude :

  • est rejetée directement en mer, en rivière ou à l’égout : c’est le circuit ouvert ;
  • est refroidie par contact avec un fluide secondaire (air ou eau) et retourne sans contact avec l’air aux appareils à refroidir : c’est le circuit fermé ;
  • est refroidie par une évaporation partielle dans un réfrigérant atmosphérique, puis retourne aux appareils : c’est le circuit semi-ouvert.

Les circuits ouverts (figure 16-a) qui nécessitent de grandes quantités d’eau et génèrent une « pollution thermique » importante sont aujourd’hui souvent limités à des systèmes anciens ou à l’utilisation d’eau de mer.

Dans les circuits fermés (figure 16-b), c’est-à-dire clos et sans évaporation, l’appoint d’eau est très faible (fuites) mais l’efficacité thermique est limitée. C’est pourquoi ils sont surtout utilisés pour de petits circuits ou des applications spéciales.

Les circuits semi-ouverts (figure 16-c) sont donc les plus utilisés car ils ont un impact environnemental moindre que les circuits ouverts et ils sont plus économiques que les circuits fermés.

Il existe aussi des circuits semi-ouverts dits mixtes (figure 16-d), où l’eau peut avoir aussi un contact direct avec des éléments polluants provenant des procédés (par exemple, lavage de gaz).

circuits semi-ouverts

La figure 17 reprend la figure 16-c en précisant les différents flux d’eau qui avec les paramètres thermi­ques et le taux de concentration caractérisent un tel circuit :

V(m3), volume d’eau total du circuit constitué par :

  • le bassin des eaux chaudes ;
  • le bassin des eaux froides ;
  • les échangeurs de température ;
  • les canalisations de liaison…
Circuits de refroidissementImage sécurisée
Figure 16. Les différents circuits de refroidissement
Schéma circuit semi-ouvert flux d'eauImage sécurisée
Figure 17. Schéma d'un circuit semi-ouvert : flux d'eau

Q(m3·h–1), débit de circulation d’eau chaude retournée au réfrigérant.

ΔT(°C), différence entre les températures de l’eau entrant et sortant du réfrigérant.

T max.(°C), température du film d’eau (température de « peau ») au contact de la paroi la plus chaude du circuit.

W(kcal·h–1), puissance du réfrigérant atmosphérique ; elle s’exprime par le produit des deux valeurs précédentes :

Formule : Circuit semi-ouvert - puissance du réfrigérant atmosphérique

E(m3·h–1), débit d’évaporation, c’est-à-dire la quantité d’eau évaporée pour assurer le refroidissement du débit Q.

Ce débit d’évaporation est constitué par de l’eau pure qui n’entraîne aucun sel dissous. En admettant une chaleur latente de vaporisation de 560 th·m–3 (2 340 MJ·m–3), on a la relation théorique :

Formule : Circuit semi-ouvert - débit d'évaporation E

L’air admis au réfrigérant atmosphérique (de 700 à 1 000 fois le débit d’eau) en se réchauffant au contact de l’eau, participe aussi à l’évacuation des calories. De ce fait, la formule :

Formule : Circuit semi-ouvert -  débit d'évaporation E évacuation des calories

est plus proche de la réalité.

Ev(m3·h1) : débit d’entraînement vésiculaire. C’est l’eau entraînée dans le courant d’air sous forme de gouttelettes. Il est donc constitué par une eau dont l’analyse est la même que celle de l’eau en circulation.

Les constructeurs s’attachent à réduire de plus en plus cet entraînement vésiculaire. Il se situe aujourd’hui autour de 0,005 % Q, mais en pratique, on considère souvent la relation suivante, qui tient compte d’un défaut d’entretien des séparateurs de gouttelettes :

Formule : Circuit semi-ouvert -  débit d'entraînement vésiculaire Ev

D(m3·h–1) : débit de déconcentration totale, calculé pour maintenir une concentration maximale admissi­ble en sels dissous. En l’absence de toute fuite, pour éviter les précipitations et/ou corrosion on doit donc purger une partie P de l’eau en circulation, en plus de la perte d’eau Ev, telle que :

Formule : Circuit semi-ouvert - débit de déconcentration totale D

A(m3.h–1) : débit d’appoint.

Il doit compenser l’ensemble des pertes d’eau dans le circuit : évaporation et déconcentration totale.

Formule : Circuit semi-ouvert - débit d'appoint

t(h) : temps de résidence t au bout duquel la concentration d’un réactif injecté diminue de moitié, sous l’effet de la purge :

Formule : Circuit semi-ouvert - temps de résidence t

C : taux de concentration. C’est le rapport des concentrations en sels dissous de l’eau du circuit S et de l’eau d’appoint s (mais aussi le rapport du débit d’appoint sur le débit de déconcentration total comme déjà vu).

De même sA = CsD d’où A = CD soit :

Formule : Circuit semi-ouvert - rapport du débit appoint sur le débit de déconcentration total

quantités d’eau mises en œuvre

refroidissement de condenseurs de centrales électriques

Exemples :

débits de circulation

  • 16-17 m3·s–1 pour une centrale thermique conventionnelle à pleine charge (500 MW), T = 8,4 °C ;
  • 46-47 m3·s–1 pour une centrale nucléaire à pleine charge (1,300 MW), DT = 12,6 °C.

appoints en circuits semi-ouverts

Avec un taux de concentration de 3 à 4 et suivant l’hygrométrie de l’air :

2,4 à 3,6 m3·h–1 par MW.

refroidissements divers dans l’industrie

Des ordres de grandeur de volumes en circulation peuvent être donnés pour quelques procédés (hors lavage de gaz) (tableau 21).

Refroidissement industrieImage sécurisée
Tableau 21. Refroidissement divers dans l'industrie

inconvénients dus au tartre

Inconvénients tartreImage sécurisée
Shéma. Inconvénients dus au tartre

inconvénients dus à la corrosion

Inconvénients corrosionImage sécurisée
Schéma. Inconvénients dus à la corrosion

Le circuit semi-ouvert est le couramment utilisé, mais l’évaporation dans le circuit provoque un phénomène de concentration de l’eau, concentrant ainsi la potentielle pollution de l’eau d’appoint (matières en suspension, colloïdales ou dissoutes, microorganismes, pollution atmosphérique) ainsi que les sels dissous qui présentent un risque d’entartrage. Ces difficultés ainsi que les traitements pour y remédier sont détaillés dans le chapitre traitement et conditionnement des eaux industrielles.

pour aller plus loin :