les généralités sur les circuits de refroidissement ouverts

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(voir aussi Circuits de refroidissement)

Les éléments caractéristiques d’un circuit semi-ouvert sont les suivants :

  • le volume du circuit : V (m3) ;
  • le débit d’eau de refroidissement : Q (m3/h) ;
  • l’écart de température de l’eau à refroidir entre l’entrée et la sortie de la tour : DT (°C) = température de sortie - température d’entrée;
  • la puissance de la tour : W (kcal/h) = Q x Dt x 1000 ;
  • l’évaporation (quantité d’eau évaporée au niveau de la tour) : E (m3/h).

Pour transformer 1 kilogramme d’eau en vapeur il faut 560 kcal (chaleur latente de vaporisation).

Les calories vont être majoritairement éliminées par changement d’état de l'eau de phase liquide à phase vapeur.

D’où le calcul de l’évaporation par la formule (en considérant que 100 % de l'échange se fait par récupération de la chaleur latente de vaporisation) :

les circuits de refroidissement ouverts - calcul de l’évaporation

L'eau transformée en vapeur est pure et ne contient pas de sels minéraux.

L’entraînement vésiculaire (gouttelettes d’eau entrainée dans l’atmosphère) : Ev (m3/h)

Cette eau contient des sels minéraux, elle a la même composition chimique que l’eau du circuit et doit donc par conséquent etre prise en compte dans le calcul des purges. On admet, en général, que :

les circuits de refroidissement ouverts - calcul de l'entraînement vésiculaire

Le rapport de concentration (aussi appelé facteur de concentration) : K

les circuits de refroidissement ouverts - rapport de concentration

C'est le rapport du débit d’eau d’appoint sur le débit d’eau de purge qui doit correspondre au rapport de la teneur en sels dissous dans l'eau du circuit sur la teneur en sels dissous dans l'eau d'appoint.

Le fait de pouvoir concentrer plus ou moins permettra de réduire les consommations d’eau et les rejets. Comme indiqué dans le graphe ci-dessous la concentration dépendra de la minéralité de l’eau utilisée.

débits rapport concentration - économies eau rélisablesImage sécurisée
Figure 26. Evolution des débits en fonction du rapport de concentration et économies d'eau réalisables

La purge : P (m3/h)

L'évaporation d'eau au niveau de la tour entraîne une augmentation de la concentration des sels dans l'eau en circulation qui doit être limitée si l'on veut éviter les précipitations minérales. Il est donc nécessaire de rejeter à l'égout une partie de l'eau en circulation (déconcentration). Le calcul du débit d’eau de purge peut se faire comme suit :

les circuits de refroidissement ouverts - calcul du débit d’eau de purge

L’appoint : A (m3/h)

Il permet de maintenir constant le volume d'eau du circuit en compensant les pertes dues à l'évaporation, à l'entraînement vésiculaire et à la purge. Le calcul du débit d’eau d’appoint peut se faire comme suit

les circuits de refroidissement ouverts -  L’appoint : A (m3/h)

La température de peau de tube maximum

C'est la température du film d'eau en contact avec la paroi la plus chaude du circuit.

Le temps de demi-séjour : T1/2

C'est le temps nécessaire pour voir la concentration d'un soluté injecté à T0 diminuer de moitié. Le calcul du temps de demi-séjour se fait comme suit :

les circuits de refroidissement ouverts - Le temps de demi-séjour : T1/2

A partir des caractéristiques physico-chimiques de l'eau d'appoint, il est possible de calculer l’indice de Ryznar (IR) en circuit en fonction de la température considérée. Cet indice nous permettra d’apprécier le comportement de l’eau d’incrustant (précipitation d’excès de sels minéraux) à agressif (capacité à dissoudre des minéraux). A partir du pH de l’eau mesuré pHo et du pH de saturation pHs, on peut calculer l’indice de Ryznar pour une température donnée.

L’indice de Ryznar est défini de la façon suivante :

les circuits de refroidissement ouverts - indice de ryznar

Les problèmes rencontrés sur les installations de refroidissement sont généralement l’entartrage, la corrosion et l’encrassement biologique ou l’embouage lorsque les dépôts générés sont issus de l’ensemble des problématiques précédentes. Ces problématiques liées à la qualité de l’eau et au mode de fonctionnement des installations dégradent les échanges thermiques, la circulation de l’eau et peuvent aller jusqu’à provoquer l’arrêt des installations et du procédé industriel associé.

D’une manière générale les rejets des installations de refroidissements se font vers le milieu naturel (lacs, rivière, …) ou vers une station d’épuration locale ou via un réseau d’égouts.

augmentation diminution débit de purgeImage sécurisée
Tableau 6. Effet sur l'augmentation et la diminution du débit de purge