Introduction aux principes fondamentaux du système d’eau de refroidissement

Le refroidissement des fluides de procédé, des récipients de réaction, de la vapeur d’échappement de turbine et d’autres applications est une opération critique dans des milliers d’installations industrielles à travers le monde, comme les usines de fabrication générales ou les usines minières et minérales. Les systèmes de refroidissement nécessitent une protection contre la corrosion, l’entartrage et l’encrassement microbiologique pour maximiser les performances, préserver la durée de vie et la fiabilité de l’équipement, et surtout, aider à assurer la sécurité des employés.

Dans ce chapitre, nous examinons la conception fondamentale du système de refroidissement et les bases du transfert de chaleur. Cet aperçu servira de base à la discussion sur le traitement de l’eau de refroidissement dans le prochain chapitre.

Les lecteurs intéressés sont également encouragés à explorer le site Web du Cooling Technology Institute. Cette organisation de longue date fournit d’excellentes informations sur toutes les facettes des applications de refroidissement industrielles et commerciales.

Table des matières

Types de systèmes de refroidissement
Composants de la tour de refroidissement
Aperçu des tours de refroidissement à courants d’air naturels
Transfert de chaleur de la tour de refroidissement
Filtration latérale
Remarque à propos de la surveillance de la performance de la tour
Alternatives de tour de refroidissement
Refroidissement d’eau en boucle fermée
Échangeurs de chaleur
Principes fondamentaux du transfert de chaleur
Surveillance de la performance de l’échangeur de chaleur
Conclusion

Types de systèmes de refroidissement

Les trois principaux systèmes de refroidissement sont à passage unique, à recirculation ouverte (basé sur une tour de refroidissement) et fermés. Les deux premiers servent généralement de refroidissement primaire pour les plus grands échangeurs de chaleur, avec des boucles fermées pour les systèmes d’usine auxiliaires. Les principes fondamentaux de chacun sont décrits ci-dessous.

Systèmes de refroidissement à passage unique

Comme le nom « une fois » l’indique, l’eau de refroidissement provient d’une source externe comme un lac, une rivière ou même l’océan. Après avoir servi les échangeurs de chaleur, l’eau est directement déchargée à la source d’origine. Un exemple courant, en particulier au siècle dernier, était le refroidissement par vapeur d’échappement de turbine dans de grandes centrales électriques, comme illustré ci-dessous.

Les prises d’air à passage unique sont normalement équipées d’écrans de bar et/ou d’écrans de déplacement pour retirer les matériaux tels que les branches d’arbres, les feuilles et d’autres gros articles, y compris la vie aquatique, qui autrement encrasseraient physiquement les tubes du condenseur et de l’échangeur de chaleur. Il y a des années, il est devenu évident que le processus de dépistage était mortel pour de nombreux organismes aquatiques, qui ont violentement entravé ou sont devenus piégés contre les écrans. Une préoccupation accrue concernant la protection de la vie aquatique a entraîné des changements dans la conception et la sélection du système de refroidissement, en mettant davantage l’accent sur les solutions d’eau durables et les progrès dans le refroidissement durable de l’eau. Certains apports existants ont été modernisés avec des écrans modernes qui minimisent les dommages à la vie aquatique, tandis que pour de nombreuses plantes modernes, le refroidissement une fois à travers n’est plus autorisé, mais des systèmes de tours de refroidissement sont nécessaires.

Remarque : Bien que de nombreuses centrales nucléaires aient des tours de refroidissement, les systèmes de secours à passage unique sont communs pour le refroidissement d’urgence.

La décharge d’eau de refroidissement tiède vers la source d’alimentation est également préoccupante pour les systèmes à passage unique. Les températures chaudes peuvent être mortelles pour certains organismes, tandis que d’autres comme les poissons se rassembleront à la décharge pendant les mois froids. Certaines usines ont été conçues avec des canaux de décharge pour permettre à l’eau de refroidir quelque peu avant d’entrer dans le plan d’eau primaire.

Dans quelques applications à passage unique, un système de pulvérisation facilite le refroidissement par décharge. Tout comme le processus de tour de refroidissement, qui est examiné en détail ensuite, un système de pulvérisation améliore le refroidissement par évaporation d’une petite partie de la décharge.

Le traitement chimique des systèmes à passage unique est souvent simple, mais toujours très important pour minimiser l’encrassement micro et macro-biologique et la formation de tartre. Ces sujets sont abordés au chapitre 7.

Nous allons maintenant examiner les solutions de rechange au refroidissement unique.

Systèmes de refroidissement à recirculation

Dans les systèmes de refroidissement à recirculation, l’eau est recyclée en continu. La forme la plus simple d’un système de refroidissement à recirculation est un bassin de refroidissement. La majeure partie du refroidissement se fait par transfert de chaleur sensible avec une légère perte de chaleur par évaporation qui augmente par temps venteux et chaud. Les bassins de refroidissement nécessitent une grande empreinte, et les systèmes de recirculation ouverts sont donc beaucoup plus courants.

Systèmes de refroidissement à recirculation ouverte

La capacité de transférer de grandes quantités de chaleur par une petite quantité d’évaporation d’eau de recirculation est la base des applications de tours de refroidissement.

Le processus fondamental est présenté ci-dessous :

Des millions de tours de refroidissement sont en service partout dans le monde dans des installations de taille allant des grandes usines industrielles aux installations commerciales comme les immeubles de bureaux. 

Les tours de refroidissement modernes sont de deux types principaux : le courant d’air mécanique (les ventilateurs déplacent l’air à travers la tour) et le courant d’air naturel (l’air circule naturellement à travers la tour). Ce dernier est l’immense tour hyperbolique des grandes centrales au charbon ou nucléaires, et est beaucoup moins courant que les tours à tirage mécanique, qui sont le principal objectif de cette section. 

Un avantage des tours à tirage mécanique est qu’elles peuvent être conçues et assemblées dans des cellules côte à côte dans une structure commune. Les cellules individuelles peuvent être mises en service ou mises hors service pour gérer les charges changeantes. Les tours peuvent être soit à aspiration forcée, dans laquelle les ventilateurs poussent l’air à travers la tour, soit à aspiration induite où les ventilateurs tirent l’air à travers.

La plupart des grandes tours industrielles sont à tirage induit, mais les unités plus petites sont souvent à tirage forcé pour simplifier le fonctionnement. Dans les tours à aspiration forcée, la vitesse de l’air diminue pendant le passage d’air à travers la tour. La vitesse inférieure peut entraîner la recirculation de l’air d’échappement vers l’entrée de la tour, réduisant ainsi l’efficacité. 

Une autre différenciation primaire est le flux croisé ou le contre-écoulement, dans lequel l’air circule perpendiculairement ou contre le courant, respectivement, vers le chemin du débit d’eau.

Veuillez noter que les tours illustrées aux figures 6.6 a et b sont des types à double entrée, dans lesquels l’air entre des côtés opposés. Ces tours sont plus efficaces que les tours à entrée unique, où la direction du vent a un impact plus important sur l’efficacité. Les grandes tours sont souvent placées pour tirer parti des tendances du vent dominant. À l’occasion, on peut voir une tour octogonale ou circulaire pour une efficacité maximale, peu importe la direction du vent, mais les coûts de conception et de construction de ces tours sont plus élevés que pour les tours rectangulaires standard, et donc ils ne sont pas si courants.

Composants de la tour de refroidissement

Les composants de la tour illustrés dans les illustrations précédentes sont essentiels pour une stabilité structurelle et un fonctionnement réussis. Les sections suivantes passent en revue les plus importantes de ces éléments.

Matériaux structurels

Selon la taille, l’âge et d’autres facteurs, les supports structurels et les composants internes des tours de refroidissement peuvent être de plusieurs matériaux. La connaissance des différents matériaux pour toute application est importante pour optimiser le traitement de l’eau, comme il est discuté au chapitre 7.

Au cours des dernières années, les grandes tours de refroidissement avaient des structures de support en bois. Le sapin Douglas et le séquoia traités sous pression étaient les deux choix les plus courants. Les principaux avantages de ces matériaux sont un coût raisonnable, une résistance décente et le fait que les produits peuvent être facilement coupés selon des spécifications précises sur le terrain. Les inconvénients comprennent :

• Susceptible aux caries fongiques dans le plénum de la tour de refroidissement
• Susceptible aux attaques chimiques dans les zones mouillées
  • Chlore
  • pH faible ou élevé
• Combustible (la destruction par le feu des tours de refroidissement est très bien connue)
• Des degrés variables de qualité du bois, soit à partir de la source ou, plus fréquemment, des étapes prises dans le processus de traitement sous pression.

Le remplacement du bois dans de nombreuses grandes tours industrielles modernes est le plastique renforcé de fibre de verre (FRP).

Les avantages de la fibre de verre comprennent :

• Résistant à la carie, particulièrement par rapport au bois
• Pas de lixiviation chimique
• Inflammabilité réduite
• La résistance aux produits chimiques est généralement exceptionnelle. Le PRF peut tolérer des concentrations élevées de chlorures et de sulfates, ce qui favorise la corrosion dans les tours de refroidissement construites en métaux.
• L’eau douce n’est pas agressive pour le PRF

Les limites de la fibre de verre comprennent :

• Les températures élevées peuvent être problématiques.
• Les réparations sur le terrain sont pratiquement impossibles. Une fois qu’une section est endommagée mécaniquement, elle doit généralement être remplacée.
• Manque général de rigidité par rapport à l’acier et au bois, ce qui entraîne des limites d’utilisation où la charge mécanique peut être importante.

Typique pour les grandes tours de refroidissement, et comme le montre la Figure 6.8, est un bassin d’eau en béton. Cela peut parfois présenter des défis de corrosion, comme nous en discuterons au chapitre 7. Dans de tels cas, des méthodes avancées peuvent être utilisées pour protéger les systèmes d’eau de refroidissement ainsi que les programmes de chimie de l’eau de refroidissement.

Pour les tours de refroidissement plus petites comme celles des bâtiments commerciaux, l’acier galvanisé est un matériau structurel commun. Les petites tours peuvent souvent être fabriquées sur une palette dans l’atelier du fournisseur et expédiées directement au site.

Les tours galvanisées peuvent avoir une cuvette en acier au carbone. D’autres petites tours peuvent être fabriquées à partir d’acier inoxydable, parfois dans la croyance erronée que l’acier inoxydable est résistant à toutes les formes de corrosion.

Remplissage de la tour

La principale méthode de transfert de chaleur dans une tour de refroidissement est l’évaporation d’une petite partie de l’eau de recirculation. La clé d’un transfert de chaleur maximal (dans le cadre de diverses mesures de retenue de la qualité de l’eau, comme nous le verrons) est la sélection correcte du remplissage. Une sélection appropriée réduit le rapport liquide/gaz (L/G) pour la tour et réduit en conséquence la taille et les coûts de matériau/opération de la tour et de l’équipement auxiliaire comme les pompes de recirculation et les ventilateurs. 

Les premières tours de refroidissement avaient des éclaboussures en bois; une série de lattes décalées sous les buses de pulvérisation d’eau ou de distribution.

L’eau qui entre en contact avec les lattes se brise en petites gouttelettes qui augmentent la surface.

Le remplissage par éclaboussures est courant pour les tours à circulation transversale, et la technologie a été considérablement améliorée, avec un design moderne illustré ci-dessous.

Le remplissage par éclaboussures peut être le seul choix dans les tours de refroidissement où l’eau a une tendance élevée à s’encrasser, mais dans la plupart des tours, le remplissage de pellicule est le matériau privilégié, car il améliore le contact air-eau. Les remplissages de feuil typiques sont faits de PVC par faible coût, durabilité, bonnes caractéristiques de mouillage et taux de propagation des flammes intrinsèquement bas. Le remplissage de film n’est pas de nature générique et de nombreux motifs sont disponibles. Le choix de la configuration du débit et l’espacement entre les feuilles de remplissage (taille de la cannelure) doivent être évalués avec soin et dépendent de la qualité prévue de l’eau de recirculation. Les illustrations suivantes décrivent plusieurs styles de remplissage de pellicule allant d’une conception à faible encrassement pour les eaux avec un fort potentiel d’encrassement aux types à haute efficacité.

Les figures 6.11a à d montrent une progression de diverses configurations de remplissage de film passant d’une faible efficacité et d’un faible potentiel d’encrassement correspondant à une haute efficacité et à un potentiel d’encrassement élevé.

Les fabricants de tours de refroidissement continuent d’améliorer l’efficacité, mais il s’agit d’une épée à double tranchant en ce sens que le chemin d’écoulement complexe augmente les emplacements potentiels pour le dépôt de solides. Le tableau suivant présente les directives générales pour certains des modèles illustrés ci-dessus.

Tableau 6-1. Sélection du remplissage en fonction de la qualité de l’eau¹

Source : Référence 2

1. Il s’agit de lignes directrices générales qui peuvent nécessiter une modification en fonction des conditions propres au site.
2. « Bon » contrôle microbiologique signifie que le biocide oxydant fourni en continu avec des résidus d’oxydants libres maintenus, avec un nombre maximal de plaques de bactéries aérobies totales (TAB) ne dépassant pas 100 000 cfu/ml (unités formant des colonies) avec une formation minimale de boues sur les surfaces de transfert de chaleur.
3. Un « mauvais » contrôle microbiologique implique peu ou pas de contrôle microbiologique ou de contrôle soumis à de graves perturbations, avec un nombre moyen de plaques TAB constamment supérieur à 100 000 cfu/ml. D’autres facteurs de risque d’encrassement potentiels doivent également être pris en compte, comme la contamination croisée à base d’eau avec des liquides de traitement contenant des composés d’ammoniac, des sucres ou d’autres nutriments. D’autres contaminants en suspension dans l’air doivent également être envisagés, comme la poussière fine, la saleté et les débris.
4. Pour un chargement d’eau élevé que l’on trouve généralement dans les tours à circulation transversale

La figure 6.12 illustre l’effet de la vitesse de l’eau sur la profondeur des biofilms.

Une comparaison de cette illustration avec les types de remplissage de tour de refroidissement illustrés ci-dessus met en évidence la vulnérabilité des paquets de pellicules de plastique cellulaires à l’encrassement biologique. La vitesse de la pellicule d’eau dans les paquets de pellicules à cannelures croisées typiques a été signalée comme étant de seulement 0,48 pi/s, et pour les paquets de pellicules résistants à l’encrassement, de seulement 0,89 pi/s à 0,95 pi/s pour un taux de chargement d’eau de 8 gal/min/pi².

Les biofilms recueillent les solides en suspension qui pénètrent dans la tour par le biais du flux d’air et d’appoint pour produire des dépôts semblables à de la boue qui peuvent devenir très épais.

Les dépôts peuvent fermer les passages de remplissage, ce qui, bien sûr, réduit le contact air-eau et dégrade le transfert de chaleur. Le dépôt peut également ajouter un poids énorme au remplissage. Les deux effets sont clairement indiqués ci-dessous.

Dans des cas extrêmes, le remplissage encrassé s’est effondré, entraînant une panne imprévue et des coûts de remplacement importants. Heureusement, il existe des techniques modernes pour la protection contre la corrosion et l’encrassement.

SÉLECTION AVANCÉE DE BIOCIDES OXYDANTS POUR LES EAUX DE REFROIDISSEMENT ET DE TRAITEMENT DIFFICILES

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Les colonies microbiologiques ont tendance à s’accumuler au milieu de l’emballage de remplissage. Les vitesses d’eau directement sous les buses de pulvérisation sont généralement suffisamment élevées pour décourager l’adhésion des microbes. De plus, l’encrassement a tendance à être plus intense au milieu du remplissage qu’au fond, car les solides en suspension sont filtrés avant d’atteindre la couche de remplissage la plus basse et parce que les derniers pouces de remplissage ne supportent pas physiquement une masse de dépôt mou. L’absence de colonies microbiennes en haut ou en bas du remplissage, combinée à la difficulté d’inspecter les couches intermédiaires, permet souvent à l’encrassement de progresser sans être détecté jusqu’à ce qu’il atteigne un stade avancé. Le personnel des centrales électriques et des installations industrielles a tenté de surveiller l’encrassement du remblai pendant le fonctionnement de la tour en utilisant des sections de remblai suspendues aux cellules de charge, ou en coupant une fenêtre d’accès à l’extrémité du boîtier de la tour pour permettre de retirer une section centrale périodiquement pour inspection à l’aide d’un monte-personne, ou en suspendant une section de remblai sous le sac de remblai principal pour qu’elle puisse être facilement inspectée et pesée. Ces techniques de surveillance peuvent être quelque peu efficaces, mais aucune ne s’est avérée être totalement satisfaisante. 

Il existe plusieurs méthodes pour éliminer les dépôts biologiques/argentés du remplissage de la tour de refroidissement. L’hyperhalogénation est une méthode, mais l’efficacité peut être limitée. De plus, la concentration élevée de chlore peut causer la corrosion des composants du système et, une fois le nettoyage terminé, le flux de déchets peut nécessiter un traitement avant la décharge. Les colonies microbiologiques ont une teneur élevée en eau et se rétréciront et se détacheront des surfaces lorsqu’elles seront complètement séchées. Le brevet américain 5,558,157 décrit cette méthode pour l’élimination du biofilm dans les échangeurs de chaleur à coque et à tube. Cependant, le séchage efficace du remplissage de la tour de refroidissement peut s’avérer problématique, même avec l’aide des ventilateurs. Le dioxyde de chlore a également servi de nettoyant pour les biofilms des tours de refroidissement avec un certain succès.

Le produit chimique de nettoyage le plus répandu et le plus efficace pour les dépôts microbiologiques est le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂). Le peroxyde est efficace en raison de sa force oxydante et de l’action physique des microbulles d’oxygène produites lorsqu’il réagit aux dépôts organiques. Les produits de décomposition du peroxyde sont l’eau et l’oxygène, et le composé a donc un profil environnemental très positif. Les doses typiques se situent dans la plage de 500 à 3 000 ppm de produits chimiques actifs. Comme pour la plupart des processus de nettoyage de ce type, l’ajout de faibles niveaux de surfactants aidera à déloger les dépôts. Des dispersants polymères sont souvent inclus pour maintenir les solides délogés en suspension jusqu’à ce qu’ils puissent être déchargés.

Éliminateurs de brumes

L’interaction de l’air et de l’eau dans la tour génère de nombreuses gouttelettes fines qui peuvent potentiellement sortir de la tour dans le panache. Le terme commun pour cette perte est « dérive ». L’évacuation de l’humidité est problématique pour deux raisons. Tout d’abord, les solides dans les gouttelettes peuvent se déposer sur les pales du ventilateur à aspiration induite et avoir un impact progressif sur la performance. Deuxièmement, les règlements sur les émissions atmosphériques de l’usine comprennent généralement également la décharge de la tour de refroidissement. Une installation peut être en violation des directives de décharge des solides entraînés dans les gouttelettes. Par conséquent, les éliminateurs de brume à chevrons sont des articles de tour de refroidissement standard. Les demi-stres recueillent l’eau par contact et laissent l’eau s’écouler dans la tour.

La technologie a évolué de telle sorte que les demi-stres modernes peuvent réduire l’humidité entraînée à moins de 0,0005 % du taux de recirculation de l’eau. Pour mettre cela en perspective, la dérive d’une tour avec un taux de recirculation de 100 000 gal/min et une dérive de 0,0005 % serait de 0,5 gal/min. Très léger en effet!

Système de distribution d’eau

La conception appropriée du système de distribution d’eau est essentielle à un fonctionnement efficace de la tour. La figure ci-dessous montre une partie d’un système de pulvérisation moderne pour une tour à contre-courant.

Les tours à circulation transversale ont normalement un pont de distribution au-dessus du remplissage, où un niveau d’eau stable est maintenu sur la surface du pont. L’eau s’écoule sur le remplissage grâce à un motif précis de perforations du platelage.

Le remplissage nécessite une distribution uniforme de l’eau pour minimiser le canalisation. Le canalage seul réduira l’efficacité de la tour, mais il peut également établir des emplacements à faible débit qui permettent un dépôt accru et la formation de colonies microbiologiques. Dans les tours à contre-courant avec réseaux de distribution d’eau, les inspections régulières doivent inclure l’examen des buses de pulvérisation pour trouver des buses bouchées, cassées ou manquantes. Pour les tours à circulation transversale, le blocage des perforations du platelage du distributeur par des matériaux solides ou des algues peut entraîner une mauvaise distribution.

Normalement, les systèmes de recirculation sont conçus avec plusieurs pompes afin que le débit d’eau puisse être ajusté en fonction des changements de température saisonniers. De plus, dans les tours multicellules typiques, les cellules peuvent être mises en service ou mises hors service selon les exigences de refroidissement.

Ventilateurs

Comme indiqué précédemment, la plupart des grandes tours de refroidissement ont induit des ventilateurs de tirage. Les aspects importants des ventilateurs au-delà de la taille et de la puissance du moteur comprennent la vitesse du ventilateur et le pas de la lame. Le débit d'air du ventilateur peut caler si les réglages du ventilateur ne sont pas correctement configurés. Une surveillance et un entretien réguliers sont importants. Les ventilateurs peuvent devenir déséquilibrés et désalignés en raison de l’accumulation de dépôts qui sortent avec le panache. Les boîtes d’engrenages sont un autre article qui nécessite une inspection régulière et une surveillance du lubrifiant.

Un arrangement pas inhabituel est la commande de ventilateur à deux vitesses, ou peut-être encore plus de flexibilité avec la commande à fréquence variable (VFD). Ainsi, au lieu de mettre une ou plusieurs cellules en service ou hors service pour ajuster la charge ou les changements de température de l’air ambiant, la vitesse du ventilateur peut être modifiée. Cet ajustement peut être particulièrement bénéfique en hiver pour minimiser le givrage. À cet égard, le lecteur pourrait également se rappeler que certains des schémas précédents de la tour dans ce chapitre ont montré des persiennes d’entrée. Ils peuvent être ajustés pour modifier le débit d’air.

Aperçu des tours de refroidissement à courants d’air naturels

Au cours de plusieurs décennies du siècle dernier, des tours de refroidissement hyperboliques ont souvent été sélectionnées dans de grandes centrales électriques parce qu’elles pouvaient être intégrées aux coûts globaux de l’usine et ne nécessitaient aucun ventilateur.

Comme l’indique la figure, les tours hyperboliques sont de très grandes structures hautes, fabriquées à partir de béton. La conception permet une circulation naturelle de l’air (dans toutes les directions) et une stabilité structurelle. Le public confond souvent les tours hyperboliques avec les centrales nucléaires lorsqu’il n’y a rien de « nucléaire » sur les tours, dont certaines ont été installées dans de grandes centrales au charbon. Presque toutes les tours hyperboliques ont été érigées aux États-Unis au cours des dernières décennies et ne seront pas abordées plus loin dans ce livre.

Transfert de chaleur de la tour de refroidissement

Lorsque l’air passe à travers une tour de refroidissement, il induit l’évaporation. L’eau qui s’évapore consomme une grande quantité d’énergie pendant le changement d’état d’un liquide à un gaz. C’est ce qu’on appelle la chaleur latente de la vaporisation, qui, au niveau de la mer, est généralement d’environ 1 000 Btu/lb. Ainsi, les tours de refroidissement éliminent beaucoup de chaleur de l’eau de recirculation par une petite quantité d’évaporation.

Un concept important pour comprendre le transfert de chaleur de la tour de refroidissement est celui de la température des « ampoules humides ». Envisagez d’être à l’extérieur, mais à l’ombre, lors d’une journée à 90 °F à une humidité relative de 40 %. Un thermomètre standard indique 90°, c’est-à-dire la température du thermomètre sec. Maintenant, imaginez si nous avons placé un autre thermomètre à côté du thermomètre à ampoule sèche, mais dans ce cas, nous avons enveloppé un morceau de tissu trempé autour du bulbe du deuxième thermomètre et avons mis les deux sur un pivot de sorte que les thermomètres puissent être tourbillonnés très rapidement dans l’air. Cet instrument, un dispositif simple et commun, est connu sous le nom de psychromètre à élingue. 

Après un court laps de temps, le thermomètre à ampoule sèche indiquera toujours 90 °F, mais l’autre thermomètre indiquera 71,2 °F. Cette dernière lecture correspond à la température de l’ampoule humide et à la température la plus basse qui peut être obtenue par refroidissement par évaporation. Les psychromètres modernes sont aspirés mécaniquement (les ventilateurs déplacent l’air à travers la mèche mouillée) et sont encore plus précis.

Peu importe l’efficacité, une tour de refroidissement ne peut jamais refroidir l’eau de recirculation à la température de l’ampoule humide, et à un moment donné, les coûts et les exigences d’espace limitent la taille de la tour de refroidissement. La séparation de la température entre la valeur de l'eau glacée et celle du bulbe humide est connue sous le nom d'approche. 

Une représentation graphique de la portée et de l’approche, reproduite à partir de la référence 1, est illustrée ci-dessous. Évidemment, ces valeurs seront variables selon la vaste gamme de conditions dans lesquelles les tours de refroidissement fonctionnent.

L’approche la plus proche de la température des ampoules humides qui peut être atteinte économiquement avec une tour moderne est d’environ 4 °F, avec une valeur typique de 10 °F.

Les données nécessaires pour calculer le transfert de chaleur par refroidissement et évaporation de l’air ont été compilées dans un graphique connu sous le nom de graphique psychrométrique. Une version est illustrée ci-dessous.

Les graphiques psychiatriques contiennent une grande quantité de données et peuvent parfois être difficiles à interpréter. L’annexe 6-1 décrit comment évaluer ces données. 

La référence 8 fournit un exemple direct de la façon de calculer l’évaporation de la tour de refroidissement à partir des données psychrométriques, mais une équation plus simple est disponible qui fournit de bonnes approximations.

E = (ƒ * R * ΔT)/1000 | Éq. 6-1

E = Évaporation en gpm

R = Taux de recirculation en gal/min

ΔT = Différence de température (plage) entre l’eau de circulation tiède et l’eau de circulation refroidie (^o F)

ƒ = Un facteur de correction qui tient compte du transfert de chaleur sensible et par évaporation, où ƒ (moyenne) est souvent considéré comme 0,75 à 0,80, mais augmentera en été et diminuera en hiver.

Le facteur de 1 000 est la chaleur latente approximative de la vaporisation (Btu/lb) d’eau dans des conditions ambiantes. 

Comme illustration de ce calcul, envisagez une tour de refroidissement dans les conditions suivantes :

• R = 150 000 gal/min
• ΔT = 15 ^oF 
• ƒ = 0,80

Pour ces paramètres, E = 1 800 gal/min. Ainsi, le refroidissement requis est obtenu par évaporation de l’eau de recirculation de seulement 1,2 %, avec un transfert de chaleur sensible de 20 %.

Un aspect essentiel du fonctionnement de la tour de refroidissement et du traitement de l’eau de refroidissement est que l’évaporation provoque une augmentation des concentrations de solides dissous et en suspension. Le vernaculum commun dans l’industrie pour le facteur de concentration est le cycle de concentration (COC). Le COC peut être surveillé en comparant les niveaux d’un ion très soluble, comme le chlorure, dans l’eau de recirculation (R) et l’appoint (MU). Cependant, cette procédure nécessite des analyses de laboratoire. Un substitut typique est la surveillance de la conductivité spécifique en ligne des deux flux, qui peut être programmée pour purger automatiquement une partie de l’eau de recirculation lorsqu’elle devient trop concentrée. Une plage de COC commune est de 4 à 6. Les économies d’eau réalisées en augmentant la purge au-delà de cette plage deviennent minimes, comme le montre clairement le graphique ci-dessous. 

Le COC, ou peut-être plus précisément le COC autorisé, varie d’une tour à l’autre selon de nombreux facteurs, y compris la chimie de l’eau d’appoint, la charge thermique, l’efficacité des programmes de traitement chimique et les restrictions possibles sur la qualité ou la quantité de rejet d’eau. Dans les endroits arides, le COC peut devoir être élevé, mais le contrôle chimique devient plus difficile. 

Un ensemble d’équations simples est disponible pour calculer raisonnablement les exigences de purge (BD) et d’appoint d’une tour lorsque l’évaporation est connue et que le COC autorisé a été déterminé.

BD = E/(COC – 1) | Éq. 6-2

MU = E + BD + D + L | Éq. 6-3

En ce qui concerne l’équation 6-3, il a déjà été noté que certaines eaux s’échappent de la tour sous forme de dérive (D), mais dans les tours dotées d’éliminateurs de dérive de pointe, la dérive est assez petite. Les fuites dans le système de refroidissement sont appelées pertes (L), qui contribuent également à la purge. Dans les systèmes plus anciens, les fuites dues à la corrosion de la tuyauterie et d’autres équipements peuvent être importantes. 

Le chapitre 7 traite des technologies de traitement de l’eau pour contrôler l’entartrage et l’encrassement dans les tours de refroidissement et les systèmes qu’elles fournissent, mais la section suivante décrit une méthode physique pour le contrôle des solides en suspension.

Filtration latérale

Les solides suspendus entrent dans les tours de refroidissement par l’eau d’appoint, sous forme de poussière et d’autres débris en suspension dans l’air. Un bon exemple de ce dernier dans de nombreux endroits est les graines de bois de coton, qui encrassent facilement les filtres d’équipement en ligne. Comme pour les matières dissoutes, les particules « remontent » dans l’eau de recirculation et peuvent se déposer dans les zones à faible vitesse du système de refroidissement, y compris la cuvette de la tour. 

La filtration latérale peut éliminer efficacement les solides en suspension dans les systèmes de refroidissement ouverts et fermés. La figure 6.25 montre deux emplacements de filtre courants.

Le tableau ci-dessous présente quatre des technologies de filtre latéral les plus courantes.

Tableau 6-2. Technologies Sidestream

Source : Filtration latérale pour tours de refroidissement (energy.gov)

Un filtre à sable sous pression est illustré ci-dessous.

Choisir la méthode de filtration optimale peut nécessiter une évaluation minutieuse des sources de particules et de l’étendue de l’infiltration.

Une remarque sur la surveillance du rendement de la tour

Outre les inspections visuelles périodiques des composants de la tour de refroidissement pour la mise à l’échelle, l’encrassement ou les dommages, des analyses régulières des données de fonctionnement sont importantes pour assurer une performance fiable de la tour. La liste ci-dessous présente des données importantes pour chaque test.

• Vitesse et direction du vent (mesurées en amont de la tour dans un endroit dégagé)
• Retournez le débit d’eau dans le ou les collecteur(s) principal(s) à la tour. (Cette mesure était autrefois difficile, mais la nouvelle technologie de débitmètre permet une plus grande précision.)
• Température de l’eau froide aux pompes de circulation dans le bassin de la tour et température de l’eau de retour chaude à l’entrée de la tour.
• Consommation d’énergie aux pompes et aux ventilateurs.
• Calculs psychiatriques qui incorporent la température et l’humidité de l’air pour calculer les températures de la ampoule humide et fournir d’autres données pour les exigences du code d’essai.

Il est également recommandé que des évaluations complètes périodiques soient effectuées par un fournisseur réputé. Le Cooling Technology Institute peut fournir des renseignements sur les entreprises qualifiées.

Alternatives de tour de refroidissement

Plusieurs modifications de tours de refroidissement ou des technologies de rechange pures et pures ont émergé au fil des décennies. Bien qu’une discussion détaillée sur ces solutions de rechange dépasse la portée de ce chapitre, un aperçu de certaines des plus importantes apparaît dans les sections suivantes.

Condenseurs à évaporation

Un condenseur à évaporation (voir Figure 6.27 ci-dessous) est constitué d'une tour de refroidissement conventionnelle avec un échangeur de chaleur nu (sans coque extérieure) situé à l'intérieur de la tour.

Placer le condenseur à l'intérieur de la tour de refroidissement réduit l'espace nécessaire pour refroidir le frigorigène dans un système de climatisation de refroidisseur. Cependant, cet arrangement présente des défis pour minimiser la corrosion et le dépôt sur les tubes. Le nettoyage de l’échangeur de chaleur peut être très difficile, surtout les tubes intérieurs d’un faisceau.

Il est important que ces unités soient correctement conçues et positionnées pour répartir uniformément l’eau sur les tubes. Il est important d’inspecter et d’entretenir régulièrement les buses des têtes de pulvérisation.
Une variante de cette conception est le refroidisseur d’air à surface humide (WSAC^®), comme illustré à la Figure 6.28.

L’eau de refroidissement et l’air voyagent simultanément dans cette conception, où la configuration fournit une grande surface de refroidissement et réduit la quantité d’eau perdue à l’évaporation.

Condenseurs refroidis à l’air

Les condenseurs refroidis à l’air (ACC) ont été initialement conçus pour le refroidissement de la vapeur d’échappement de turbine de la centrale électrique dans les applications arides, mais sont maintenant adoptés dans d’autres emplacements. 

Ces unités utilisent l’air ambiant pour le refroidissement, et la condensation de vapeur est donc uniquement par transfert de chaleur sensible.

Comme l’illustre la figure 6.30, les ACC doivent être assez grands pour fournir le refroidissement nécessaire. Cela est facile à comprendre en comparant la densité et la capacité thermique de l’air à l’eau. De plus, les ACC ne peuvent refroidir la vapeur qu’à des températures approchant l’ampoule sèche à air ambiant et non l’ampoule humide. Par conséquent, pendant les mois chauds, l'efficacité de la turbine est significativement inférieure à celle d'une unité comparable avec une tour de refroidissement et un condenseur refroidi à l'eau.

Un cousin plus petit de ce processus, le refroidissement par ventilateur à ailettes est utilisé dans de nombreuses usines pour le conditionnement de l’eau liquide et des flux de processus.

Ces refroidisseurs ont généralement de nombreux tubes de petit diamètre, qui peuvent être obstrués par des solides si le contrôle chimique est inadéquat.

Laveuses à air

Des laveuses à air sont présentes dans certaines industries, par exemple, les usines de centrifugation de textiles, pour contrôler la température et l’humidité de l’air, et pour maximiser la production et éliminer les particules de l’air.

Pendant l’été, lorsque l’évaporation est améliorée, les unités peuvent fonctionner comme un système à passage unique. En hiver, le processus peut revenir quelque peu pour ouvrir la recirculation comme une tour de refroidissement, qui nécessite une purge.

Refroidissement d’eau en boucle fermée

De nombreuses usines ont de nombreux échangeurs de chaleur intégrés dans un ou plusieurs systèmes d’eau de refroidissement fermés. Ces échangeurs de chaleur auxiliaires « fermés » rejettent la chaleur dans le système de refroidissement de recirculation ouvert primaire.

Le terme « système fermé d’eau de refroidissement » est quelque peu une erreur, car pratiquement tous les systèmes ont des fuites ou de petites pertes quelque part qui nécessitent un maquillage. (Si une corrosion grave s’est produite, ces pertes peuvent être importantes.) Un système fermé est essentiellement défini comme une boucle qui a peu ou pas d’évaporation, et où les exigences d’appoint ne dépassent pas
5 à 15 % du volume chaque année.

Les systèmes sont souvent conçus avec un réservoir à tête pour l’appoint d’eau et pour absorber les changements de volume par température et par fluctuations de charge. Cet arrangement peut permettre à l’oxygène de pénétrer dans l’eau de refroidissement, ce qui, bien sûr, influence le potentiel de corrosion. Certains systèmes fermés peuvent avoir une expansion sous pression ou un réservoir à vessie pour maintenir une pression d’eau constante. Les cuves ou réservoirs d’appoint sont souvent situés au point le plus élevé dans une boucle fermée pour servir de sortie d’air pour les gaz non condensables qui pourraient autrement s’accumuler dans le système et causer de la corrosion et la cavitation de la pompe.

Voici des exemples d’applications de refroidissement fermées industrielles et commerciales :

• Roulements de pompe
• Huile de lubrification
• Soudeurs automatisés
• Refroidisseurs à moulage en métal
• Systèmes d’eau réfrigérée

La figure ci-dessous montre le contour d'un système d'eau glacée de base.

Une variation de cette conception est illustrée ci-dessous, avec une tour de refroidissement fermée servant de circuit de refroidissement principal. 

La plupart des systèmes fermés sont équipés d’un petit système d’alimentation en pot à débit latéral doté de vannes d’isolement d’entrée et de sortie pour l’alimentation en produits chimiques par lots. Une amélioration est une combinaison d’alimentation et de filtre à jet latéral pour éliminer les produits de corrosion métalliques qui se forment inévitablement pendant le fonctionnement. Un filtre peut être particulièrement utile pour certaines applications. Par exemple, les aînés automatisés des usines d’assemblage automobile, qui ont des conduites de refroidissement serpentin de petit calibre dans les têtes de soudeuse. L’accumulation de particules (et l’encrassement ou l’entartrage) peut être très problématique. 

Comme nous le verrons plus en détail au chapitre 7, certaines boucles d’eau fermées nécessitent de l’eau d’appoint de haute pureté, c.-à-d. du condensat. Un exemple est un refroidisseur de coulée continue d’une aciérie où le taux de transfert de chaleur est extrêmement élevé (10⁶ Btu/pi²/h). La corrosion ou l’encrassement qui limite le transfert de chaleur peut être extrêmement préjudiciable et dangereux si une « rupture » de l’acier fondu se produit pendant le processus de moulage.

Systèmes de stockage d’énergie thermique

Une technique utilisée dans certaines installations municipales centrales de chauffage et de refroidissement est le stockage d’énergie thermique (TES).

Les milieux réfrigérés peuvent être de l’eau, de la glace ou même de la saumure gelée, avec des capacités de stockage pouvant aller jusqu’à des millions de gallons. L’eau est refroidie la nuit pendant la période hors pointe de la demande électrique lorsque les coûts d’alimentation sont plus faibles.

Systèmes fermés à eau chaude

Les boucles fermées d’eau chaude sont largement utilisées pour la chaleur des bâtiments. Un certain nombre de configurations sont possibles, dont plusieurs avec retour d’eau à l’appareil de chauffage, ce qui améliore l’efficacité. Souvent, dans les grandes installations industrielles, l’eau chaude est utilisée pour le transfert d’énergie entre les processus industriels. Par exemple, dans les unités de fissuration de l’éthylène, un échangeur de chaleur fermé désaltère le gaz éthylène fissuré, puis transfère la chaleur à la matière d’alimentation en hydrocarbures entrante. Cette boucle thermique particulière est appelée « courroie d’eau chaude ». L’eau refroidie de l’échangeur thermique d’hydrocarbures retourne au craquelin d’éthylène.

Échangeurs de chaleur

Les sections précédentes de ce chapitre ont examiné un très grand échangeur de chaleur dans de nombreuses usines, la tour de refroidissement. Et le chapitre 4 a couvert un autre ensemble d’échangeurs de chaleur de grande taille, les chaudières à vapeur. Dans les sections suivantes, nous examinerons d’autres échangeurs de chaleur refroidis à l’eau et les propriétés fondamentales de transfert de chaleur. 

Le transfert de chaleur est souvent décrit comme le transfert d’énergie et d’entropie d’un point à l’autre. Lors de la conception d’un système de transfert de chaleur, les coûts d’ingénierie et de construction doivent être équilibrés par rapport aux coûts d’exploitation et d’entretien. Parfois, les alliages coûteux ou la taille généreuse de l’équipement valent le coût supplémentaire pour prolonger la durée de vie de l’unité et augmenter l’efficacité. Dans d’autres cas, des matériaux et une conception simples peuvent être parfaitement satisfaisants.

Équipement d’échangeur de chaleur

Peut-être que la conception d’échangeur de chaleur la plus courante est la configuration coquille et tube. Vous trouverez ci-dessous un échangeur en U à deux passages.

De tels échangeurs sont courants pour le transfert de chaleur liquide à liquide lorsqu’un seul ou aucun des fluides n’est de l’eau. Ce manuel, axé sur le traitement de l’eau, considère les échangeurs avec de l’eau comme le principal liquide de refroidissement et l’endroit où le débit d’eau passe à travers les tubes avec le liquide de traitement sur les surfaces externes des tubes. La conception de la Figure 6.37 est en même temps que le liquide de refroidissement et le liquide de procédé qui circulent dans la même direction. Notez les plaques de chicane dans l’échangeur pour améliorer le mélange du débit et le transfert de chaleur. Les échangeurs de chaleur à deux passages sont populaires, car ils peuvent fournir un meilleur refroidissement dans un espace plus petit que les glacières à un passage.

Un échangeur thermique à contre-débit est illustré ci-dessous.

Cette conception est souvent préférée en raison de la contrainte thermique plus faible sur l’équipement, car l’eau de refroidissement se réchauffe considérablement avant d’entrer dans la zone de chaleur la plus élevée.

Une variation intéressante de cette conception est le condensateur de surface de vapeur, qui était si important dans les grandes centrales électriques au charbon et nucléaires, et qui est encore répandu dans de nombreuses centrales électriques à cycle combiné.

La vapeur d'échappement de la turbine entrante est généralement (et devrait être) de 90 % ou plus de qualité. L’échangeur de chaleur, avec des milliers de tubes, convertit la vapeur en liquide pour le retour à la chaudière. La condensation améliore l’efficacité thermodynamique du processus de production d’énergie de près d’un tiers. Cependant, la condensation génère un vide très puissant lorsque la vapeur s’affaisse en eau. L’aspirateur puissant attire l’air même aux plus petites ouvertures de la coquille du condenseur ou à d’autres endroits. Si l’air s’accumule, il enrobera les tubes et réduira considérablement le transfert de chaleur. Ainsi, les condenseurs de surface sont généralement équipés d'un compartiment d'évacuation d'air qui est continuellement évacué par les pompes à vide.

Les usines plus anciennes au charbon avaient souvent des échangeurs à coquille et à tube alignés verticalement pour le chauffage de l’eau d’alimentation. Cette orientation est pratique lorsque l’espace horizontal est limité.

Les solides en suspension dans l’eau peuvent s’accumuler au fond d’un échangeur de chaleur vertical si le débit est insuffisant pour maintenir les solides en suspension. Un retrait périodique des dépôts peut être nécessaire pour éviter que les tubes ne soient bloqués par le matériau.

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Matériaux de l’échangeur de chaleur

Pour les échangeurs thermiques à tubes et à coquille refroidis à l’eau, la coquille est souvent en acier au carbone, avec des matériaux de qualité supérieure pour les tubes. Dans un condenseur de vapeur, les matériaux potentiels des tubes comprennent le laiton admiralty (70 % cuivre, 29 % zinc avec des éléments supplémentaires mineurs), le cuivre-nickel 90-10, le cuivre-nickel 70-30 et, plus récemment, les aciers inoxydables de la série 300. Pour les systèmes avec de l’eau de refroidissement ayant des concentrations élevées de chlorure, le titane ou les aciers inoxydables super-ferritiques comme SeaCure^® sont des matériaux de tube communs. Les échangeurs de chaleur dans les raffineries et les usines chimiques peuvent nécessiter des alliages spécialisés en raison d’agents corrosifs spécifiques et de températures élevées dans les flux de processus. Les sulfures peuvent être assez corrosifs pour de nombreux métaux. Les acides forts ou caustiques peuvent nécessiter une manipulation spéciale. La liste est longue.

Autres conceptions d’échangeurs de chaleur

Une autre conception courante est l’échangeur de chaleur à plaque et cadre.

Ces unités offrent une empreinte réduite et un coût inférieur à celui des échangeurs à tubes et à enveloppes. La figure ci-dessous illustre un chemin de flux de base.

Un inconvénient est que les plaques étroitement espacées fournissent des emplacements pour de faibles vitesses de fluide qui permettent aux solides en suspension de se déposer. Certains échangeurs peuvent avoir des plaques ondulées pour améliorer le mélange du liquide, ce qui peut présenter des défis de nettoyage qui nécessitent le démontage de l’échangeur.

L’acier inoxydable est un matériau courant pour les échangeurs de plaques, mais des matériaux plus exotiques peuvent être nécessaires dans les applications à forte contrainte ou corrosives.

Les autres échangeurs de chaleur peuvent être spiralés ou hélicoïdaux. Un diagramme de chacun est illustré ci-dessous.

Ces échangeurs de chaleur sont utilisés pour des applications spécialisées non couvertes dans ce manuel.

Les figures ci-dessus illustrent les échangeurs de chaleur qui fournissent une limite physique entre deux fluides. Dans certaines applications, aucune limite n’existe. L’injection directe de vapeur en est un exemple principal. La vapeur est ensuite récupérée sous forme de condensat plus loin dans le processus. Cependant, le condensat peut contenir un certain nombre d’impuretés qui doivent être éliminées avant de retourner à la chaudière. 

Principes fondamentaux du transfert de chaleur

Les trois modes généraux de transfert de chaleur sont la convection, la conduction et le rayonnement. Ceux-ci sont abordés au chapitre 4. Pour la plupart des échangeurs de chaleur décrits ci-dessus, la conduction et la convection sont les principales méthodes de transfert de chaleur. Les mathématiques du transfert de chaleur peuvent être assez compliquées, surtout lors de la conception de systèmes. Cependant, une grande compréhension est possible grâce à des calculs simples : « Lorsque la chaleur circule d’un fluide à l’autre à travers un mur de soutènement solide, la quantité totale de chaleur transférée peut être exprimée comme suit :

(Q/t)_total = U*A*ΔT_total | Éq. 6-4

• Q/t est le transfert de chaleur par fois, avec les unités anglaises courantes de Btu/h.
• U est le coefficient de transfert de chaleur (Btu/(h) (pi²) (^o F)
• A est la surface (pi²) des tubes ou des plaques à travers lesquels la chaleur est transférée.
• ΔT est la différence de température entre les deux liquides. Cela est généralement calculé comme la « différence de température moyenne logarithmique » (LMTD), qui tient compte plus précisément du changement de température des deux fluides le long de la longueur de l’échangeur de chaleur.
  • LMTD = (Δt₂-Δt₁)/ln(Δt₂/Δt₁)

La variable clé de l’équation 6-4 est U. Lorsque le liquide s’écoule à travers un tube, un tuyau ou le long d’une plaque, même si le flux en vrac est turbulent, une mince sous-couche laminaire se forme à la surface du matériau. Ce film influence le transfert de chaleur. Par conséquent, pour une surface propre, l’équation pour U devient :

1/U = 1/h^′ + 1/h^′′ + x_w/k | Éq. 6-5

• h^′ est le coefficient de film pour le premier liquide (Btu/(h) (pi²) (^o F)
• h^′′ est le coefficient de film pour le deuxième liquide (Btu/(h) (pi²) (^o F)
• x_w est l’épaisseur de la paroi du tube ou de la plaque
• k est le coefficient de transfert thermique unitaire du matériau (Btu/(h) (pi²) (^o F/pi)

Un excellent exemple de transfert de chaleur de la condensation de vapeur sur un tuyau en acier au carbone de 2 po, série 40, est décrit dans la référence 11. Tous les détails ne sont pas répétés ici, mais il convient de noter que h^′ (film hydrique) est donné comme 500 Btu/(h) (pi²) (^o F), h^′′ (côté vapeur) est donné comme 2 000 Btu/(h) (pi²) (^o F) et x_w/k est 0,00046 (h) (pi²) (^o F)/Btu, où k pour l’acier au carbone est indiqué comme 26 Btu/(h) (pi²) (^o F/pi). En prenant l’inverse des deux premiers et en additionnant ces chiffres à la troisième valeur (et en ajustant légèrement pour les différences de surface des tuyaux internes et externes), on donne une valeur U de 346 Btu/(h) (pi²) (^o F). Pour cet exemple particulier, avec un tuyau unique de 10 pieds de long et une DMT de 91 ^oF, selon l’équation 6-4, le transfert de chaleur à l’eau de refroidissement est de 170 000 Btu/h.

Une observation clé de cet exemple est que le transfert de chaleur à travers le côté vapeur et la paroi du tuyau est à peu près équivalent, mais que le transfert de chaleur à travers la pellicule d’eau est considérablement plus bas. Par conséquent, les échangeurs de chaleur sont souvent conçus pour maximiser le débit turbulent (dans les limites des exigences de pompage et de la résistance du métal à l’érosion et à la corrosion) afin de réduire l’épaisseur de la sous-couche laminaire. Pour les échangeurs avec du liquide des deux côtés des tubes ou des plaques, la résistance au transfert de chaleur du film augmente. Ces facteurs sont très importants lors de la conception de l’unité. Si le liquide de procédé est autre chose que l’eau ou la vapeur, les calculs deviennent plus complexes.

La conductivité thermique est un critère très important pour la sélection des matériaux d’échangeur thermique. Les données ci-dessous offrent certaines valeurs sélectionnées à partir de matériaux d’échangeur de chaleur courants.

Tableau 6-3. Conductivités thermiques de certains matériaux d’échangeurs de chaleur courants.

Renseignements fournis par Dan Janikowski, Plymouth Tube Company selon les données du Heat Exchange Institute (HEI).

Le tableau illustre la grande variété de conductivités thermiques et illustre clairement la conductivité beaucoup plus élevée du laiton admiral que l’acier au carbone et surtout l’acier inoxydable. (Une mise en garde existe à cet égard, comme nous le verrons sous peu.) Pour cette raison, au milieu du siècle dernier, le laiton admiralté était une sélection courante pour les tubes de condenseur et de chauffage d’eau d’alimentation dans les unités d’alimentation au charbon. Des parois de tubes épaisses étaient possibles; conçues pour offrir une longue durée de vie. Cependant, il est devenu de plus en plus évident que la corrosion graduelle du cuivre permettait le transport des produits de corrosion vers les turbines à vapeur, qui se déposaient sur les lames de turbine et réduisaient l’efficacité. De nombreux employés de l’usine ont remplacé les tubes d’admiration par de l’acier inoxydable pour éliminer ce problème. Malheureusement, lorsque cette modification a été apportée à certains condenseurs, les tubes en acier inoxydable ont commencé à souffrir de corrosion microbiologique côté eau (MIC). Les ions de cuivre qui lixiviaient des tubes d’admiration étaient toxiques pour les microbes, alors que l’acier n’offrait pas la même protection. Il s’agit d’un autre exemple montrant l’importance de faire correspondre les caractéristiques de corrosion du métal aux conditions du procédé et sera couvert plus en détail au chapitre 7.

La mise en garde mentionnée ci-dessus est qu’une couche d’oxyde se développe sur de nombreux métaux pendant le service. La couche peut être plus ou moins protectrice selon l’environnement et le métal. Les alliages de cuivre forment une patine d’oxyde, qui est considérablement plus isolante que le métal de base. Il s’agit d’un autre facteur qui doit être pris en compte lors de la conception de l’échangeur de chaleur.

Élargissant sur l’équation 6-5, l’équation ci-dessous illustre l’influence du dépôt de chaque côté de la surface métallique.

1/U = 1/h^′ + 1/h^′′ + x_w/k + 1/h^′_d + 1/h^′_d | Éq. 6-6

Les deux derniers termes tiennent compte du dépôt ou de la formation de film de chaque côté de la paroi ou de la plaque du tube.

Les dépôts minéraux et microbiologiques ont de faibles coefficients de transfert de chaleur, comme le montre le tableau ci-dessous.

Tableau 6-4. Conductivité thermique de trois dépôts courants côté eau.

Renseignements fournis par Dan Janikowski, Plymouth Tube Company.

Même une mince couche de dépôt réduira considérablement le transfert de chaleur. Notez la confirmation de l’effet isolant d’une couche d’eau stagnante. Les biofilms poreux peuvent induire une corrosion sous le dépôt, ce qui peut entraîner des défaillances prématurées et des pannes de l’unité.

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Calculs supplémentaires de l’équilibre thermique

Lorsque la chaleur est échangée entre deux liquides sans changement de phase, la quantité de chaleur perdue par le liquide plus chaud est équilibrée par celle obtenue par le liquide de refroidissement. L’échange d’énergie est un transfert de chaleur sensible et, à l’exception des pertes mineures, peut être décrit par l’équation standard suivante.

Q/t = . | Éq. 6-7

• . . = flux de processus (lb/h) 
• C_p = chaleur spécifique du fluide, pour l'eau C_p=1,0 (1 Btu/lb ^o F) 
• ΔT = ^o F

Si l’un des fluides se condense à partir d’une vapeur, la chaleur latente (H) est également transférée et l’équation 6-7 s’étend à :

Q/t = . | Éq. 6-8

L’importance de la récupération latente de la chaleur continue d’avoir une influence croissante sur la conception de l’usine. Considérez les nombreuses unités au charbon construites au siècle dernier. Le processus fondamental implique la production de vapeur surchauffée pour piloter un générateur de turbine. (Voir le chapitre 4.) La vapeur d’échappement de la turbine est refroidie au liquide dans le condenseur pour être retournée à la chaudière. La condensation améliore considérablement l’efficacité thermodynamique nette de l’unité, mais la majeure partie de la chaleur latente de la vapeur est toujours perdue dans l’eau de refroidissement. Les meilleures unités de fût ne sont capables que d’une efficacité nette d’environ 35 %, et même les unités ultra-supercritiques les plus modernes peuvent atteindre une efficacité maximale de 45 %. Les unités de cogénération et de chauffage et puissance combinés (CHP) peuvent atteindre jusqu’à 80 % d’efficacité nette. Une configuration commune de cogénération utilise la vapeur surchauffée pour entraîner une turbine pour la production d’électricité, mais avec l’extraction de vapeur avant la perte complète de la surchauffe. Les flux de vapeur extraits traitent les échangeurs de chaleur, dans lesquels la chaleur latente est également utilisée. Ce système devient de plus en plus courant dans les installations industrielles pour produire de l’électricité à l’interne et maximiser l’efficacité de la chaleur de la vapeur.

Surveillance de la performance de l’échangeur de chaleur (HX)

Les fiches techniques sont typiques pour les nouveaux échangeurs de chaleur, et un exemple de la Tubular Exchange Manufacturers Association (TEMA) est illustré ci-dessous.

Lorsque les unités sont mises en service, il est important de recueillir toutes les données de fonctionnement pertinentes, car c’est à ce moment que l’échangeur est à son meilleur avec une efficacité de transfert de chaleur maximale. Généralement, les données ne correspondent pas exactement à la fiche de spécifications, mais elles servent de base pour l’avenir. Les données importantes pour les flux d’entrée et de sortie sont décrites à la Figure 6.46 et comprennent ce qui suit :

• Températures et pressions 
• Débits  
• Densités et viscosités 
• Chaleurs spécifiques

Les diagrammes de flux de processus (PFD) et les diagrammes de processus et d’instruments (P&ID) précis qui décrivent clairement l’équipement et la tuyauterie au sein d’une opération d’unité, y compris les débits, les pressions et les températures à pleine capacité. Pour les usines telles que les raffineries, la fabrication de produits chimiques et d’autres installations similaires, un grand nombre de diagrammes est nécessaire. Une erreur fréquente dans de nombreuses usines a été le manque de documentation pour les modifications de la tuyauterie et de l’équipement. Cela devient encore plus problématique lorsque des modifications sont apportées à la tuyauterie souterraine sans documentation appropriée. 

Les problèmes courants qui touchent les échangeurs de chaleur de manière matérielle et/ou sur le plan de la performance comprennent :

• Réduction du débit d'eau de refroidissement en raison de la dégradation du rotor de la pompe ou d'autres problèmes. Les pertes de débit sont souvent graduelles et peuvent être négligées. Une réduction du débit peut augmenter les températures du procédé qui, à leur tour, causent des problèmes de corrosion ou d’entartrage du côté du procédé, et influencer les dépôts et la corrosion du côté du refroidissement.
• Réglages manuels non pris en compte pour les positions d’entrée et de sortie du HX. Une plainte courante entendue dans les usines lorsque le rendement de l’équipement devient soudainement erratique est qu’un « grumeau » doit l’avoir altéré. Le Gremlin, bien sûr, est une personne de l’usine qui a modifié un réglage de valve, modifié un débit d’alimentation de la pompe ou apporté un autre changement sans en informer personne.
• Sélection incorrecte des matériaux pour l’application
  • L’acier inoxydable est souvent sélectionné de façon à se mettre au genou pendant la conception du projet, uniquement pour les défaillances rapides qui sont induites par un agent corrosif particulier dans l’eau de refroidissement ou le fluide de procédé. Les chlorures peuvent être assez corrosifs pour les aciers inoxydables austénitiques, surtout s’ils se concentrent sous des dépôts tels que ceux d’encrassement microbiologique.
  • Parfois, le matériau sélectionné pour l’application peut convenir, mais les méthodes de fabrication sont défectueuses. Un exemple classique était l’installation de nouveaux tubes en cuivre-nickel 90-10 dans un condenseur de surface à vapeur pour une application à passage unique avec de l’eau brute d’un lac récréatif. Les tubes auraient dû durer des décennies, mais ils ont échoué dans les 18 mois suivant les pénétrations dans les murs parce que le fabricant utilisait un liquide de lubrification contenant des sulfures.
• Mauvaise sélection ou fonctionnement inefficace du programme de traitement de l’eau (couvert au chapitre 7)
• Nettoyage initial et passivation inadéquats (couverts au chapitre 7)

Une autre erreur courante, en particulier dans les usines avec de nombreux échangeurs de chaleur, est de surveiller tous les échangeurs plutôt superficiellement et de négliger les données des unités individuelles qui suggèrent un problème grave. L’allocation de ressources pour le personnel afin de mieux se concentrer sur le fonctionnement de l’échangeur de chaleur peut être bénéfique pour trouver et corriger les problèmes avant qu’ils ne deviennent des problèmes majeurs.

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Des progrès considérables ont été réalisés dans le développement d’instruments en ligne et d’algorithmes d’analyse de données pour suivre la performance de l’équipement, fournir des lectures aux opérateurs de la salle de commande et auxiliaires, et dans certains cas, effectuer des ajustements automatiques à l’équipement comme les pompes d’alimentation en produits chimiques pour le traitement de l’eau. Les coûts peuvent souvent être justifiés plusieurs fois en identifiant rapidement les conditions défavorables pour permettre des mesures correctives rapides qui empêchent la perte d’efficacité ou même la défaillance de l’équipement.

Les renseignements importants que les systèmes de données recueillent comprennent :

• Températures d'entrée et de sortie d'eau de refroidissement et de produit de traitement.
  • Un calcul très utile est la température d’approche, qui est la température de _sortie du procédé – température de l’eau de _{refroidissementdans}. Dans de nombreux échangeurs de chaleur, la température d’approche devrait normalement rester relativement constante. Une plage de règle de pouce courante est de 8 à 20 °F. Une augmentation importante suggère des problèmes d’écoulement ou d’encrassement. La température d’approche d’un échangeur de chaleur particulier est sensible et varie selon la charge thermique. Par conséquent, la tendance des mesures de température d’approche est mieux effectuée dans les mêmes conditions ou presque les mêmes conditions de charge thermique, sinon les données doivent être ajustées, c.-à-d. normalisées, en fonction de la charge thermique.
  • Les lectures de thermocouple et de thermistance activent les alarmes préréglées, permettent la surveillance à distance et permettent une réponse rapide par le personnel.
• Débits et pressions (et différentiels de pression). Ces mesures permettront d’identifier les problèmes d’équipement à court et à long terme tels que le dysfonctionnement de la pompe et le blocage du tube par des solides ou des encrassements importants.
• Niveaux de liquide et contrôles de niveau. Ces mesures sont importantes dans une variété de processus d’usine, du stockage des matières premières aux échangeurs de chaleur dans lesquels un changement de phase se produit.
• Par calcul, données de charge thermique et coefficient de transfert thermique. Les données qui tendent vers le bas suggèrent une dégradation de l’efficacité. Un autre calcul, la différence de température terminale (TTD), est utile pour la surveillance de la performance du condenseur de surface de vapeur et est abordé plus en détail ci-dessous.
• La chimie de l’eau, y compris le pH, la conductivité spécifique et d’autres paramètres selon l’application individuelle. Ces questions sont abordées au chapitre 7.

La section suivante et finale fournit des détails supplémentaires concernant la surveillance de la performance du condenseur de vapeur.

L’industrie de l’énergie continue de subir beaucoup de changements. La production d’énergie au charbon a connu une forte baisse dans de nombreuses régions du monde en raison des préoccupations climatiques et des efforts déployés pour réduire les émissions de CO₂. Outre les technologies d’énergie renouvelable, la production d’énergie à cycle combiné remplace les unités de charbon. Une partie importante de l’alimentation combinée est produite par les générateurs de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) et les turbines à vapeur qui l’accompagnent, dont la source de chaleur est le gaz d’échappement de la turbine à combustion. Bien que les ACC deviennent de plus en plus courants pour le refroidissement des gaz d’échappement des turbines à vapeur, de nombreux HRSG ont encore des condenseurs refroidis à l’eau. Pour les usines dotées de ces condenseurs, plusieurs mesures sont très efficaces pour surveiller les performances.

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TTD et facteur de propreté 

Les trois mesures de température critiques pour évaluer le rendement du condenseur sont l'entrée et la sortie d'eau de refroidissement et la vapeur condensée qui s'accumule dans le puits de chauffage. Bien sûr, les températures d’entrée et de sortie subiront toujours des changements saisonniers, ce qui peut masquer les problèmes. La mesure clé est le TTD, qui pour les condenseurs est la température de vapeur condensée moins la température de sortie de l'eau de refroidissement. Lorsque les données TTD sont recueillies au fil du temps à une charge unitaire constante, de préférence à pleine charge, les lectures doivent rester stables si le condenseur fonctionne correctement. Les facteurs qui entravent le transfert de chaleur et induisent une augmentation du TTD sont l’encrassement du côté de l’eau ou la formation de tartre, ou l’excès d’air dans la fuite du côté vapeur.

Il y a des années, l'HEI a développé des calculs qui utilisent les lectures de température susmentionnées avec les données de matériau du tube de condenseur, le nombre total de tubes et le nombre de tubes bouchés, les dimensions du tube, y compris la longueur, le diamètre et l'épaisseur de la paroi, le nombre de passages (normalement 1 ou 2) et le débit d'eau de refroidissement pour générer ce qu'on appelle le facteur de propreté du condenseur (CF). Le programme calcule un coefficient de transfert thermique (U_d) et un coefficient de transfert thermique (U_a) réel, où U_a/U_d * 100 est le CF en pourcentage. En théorie, le CF devrait être d’environ 85 % pour un condenseur propre sans tubes bouchés, mais la valeur est particulière à chaque unité individuelle. Par conséquent, les données doivent être recueillies au démarrage du condenseur ou après le nettoyage du tube pour servir de référence pour une surveillance continue. Le programme peut être très efficace pour détecter la perte graduelle de transfert de chaleur du détartrage côté eau ou de l’encrassement microbiologique, à l’excès d’air dans les fuites du côté vapeur.  

Aspirateur et contre-pression

L'énorme diminution du volume lorsque la vapeur d'échappement de la turbine se transforme en eau dans le condenseur induit un vide très puissant. En hiver avec de l’eau froide, l’aspirateur peut atteindre environ 1 pouce (Hg) au-dessus de l’absolue (-29,92 pouces de pression au niveau de la mer). Cette valeur est connue sous le nom de contrepression du condenseur. Il augmentera au printemps et en été, ce qui est une raison pour laquelle les systèmes d’eau de refroidissement des centrales électriques ont souvent plusieurs pompes, de sorte que le débit d’eau de refroidissement peut être augmenté pendant les mois chauds. La contrepression est un outil précieux pour suivre la performance du condenseur, reconnaissant qu'elle augmentera de deux à quatre pouces d'hiver à été. Si l'encrassement du condenseur entraîne des contre-pressions plus élevées, les besoins en carburant et les coûts peuvent augmenter considérablement. Au-delà de ce problème, les turbines sont conçues pour se déclencher hors ligne si la contrepression augmente beaucoup plus que le maximum estival normal. Un voyage en unité pendant un pic estival peut être extrêmement coûteux.

En outre, c'est le vide puissant généré dans le condenseur qui aspire l'air ambiant en cas d'irrégularités ou de défaillances structurelles au niveau du condenseur ou de tout système auxiliaire environnant. Une occurrence courante est une fissure soudaine dans la coquille du condenseur. Si l'entrée d'air est supérieure à ce qui peut être manipulé par le système de retrait d'air, l'excès d'air formera des poches dans le condenseur et limitera considérablement le transfert de chaleur. Un bon programme de FK détectera souvent ces problèmes très rapidement.

Pression de refoulement de la pompe de circulation

L'encrassement ou l'entartrage du condenseur entrave le débit du produit et se manifeste par une augmentation de la pression de refoulement de la pompe de circulation. En général, la pression de refoulement varie de 20 à 80 psi selon l’équipement servi et les élévations. Inversement, au fil du temps, le débit de la pompe de circulation a tendance à diminuer en raison de la dégradation du rotor. Pendant une longue période, il était presque impossible de mesurer avec précision de si grands débits sur le terrain, mais de nouveaux instruments offrent des solutions à ce problème. 

Conclusion

Ce chapitre décrit les aspects fondamentaux importants des échangeurs de chaleur dans les installations industrielles et les centrales électriques. De nombreuses variétés d’échangeurs sont disponibles, avec de nombreuses métallurgies possibles. Ces détails sont très importants lors de la sélection et de la mise en œuvre de programmes de traitement chimique pour protéger les systèmes de refroidissement contre la corrosion, l’entartrage et l’encrassement microbiologique. Pour cette raison, les usines industrielles et autres installations peuvent grandement bénéficier du traitement des tours de refroidissement. Nous aborderons ces questions de chimie dans le prochain chapitre.

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Références

• J. Hensley, ed., Cooling Tower Fundamentals, 2e édition, SPX Cooling Technologies, Inc., Overland Park, Kansas, 2009.
• Buecker, B. et R. Aull, « Notions de base du transfert de chaleur de la tour de refroidissement – Partie 2 »; Traitement des hydrocarbures, août 2020.
• Post, R., Emery, K., Dombroski, G. et M. Fagan, « Nettoyage efficace de la tour de refroidissement en plastique cellulaire »; tiré des procédures de la conférence du 33e atelier annuel sur la chimie des services publics d’électricité, 11 juin-13, 2013, Champaign, Illinois.
• Characklis, W. G., Biofilms, John Wiley & Sons, 1990.
• Aull, R. et R. Post, « Méthodes de traitement chimique et sélection de remplissage pour minimiser le tartre/encrassement dans les tours de refroidissement »; Séminaire sur la technologie de refroidissement EPRI, Pensacola, Floride, 2012.
• Monjoie, M., Russell, N. et G. Mirsky, « Recherche de remplissage de film encrassant »; Cooling Technology Institute, TP93-06, Nouvelle-Orléans, Louisiane, 1993.
• Makowski, et al., « Appareil et méthode d’élimination du microsalissure du côté eau d’un échangeur de chaleur ». Brevet américain 5 558 157. 1996.
• Potter, M.C., et C.W. Somerton, Schaum’s Outline of Theory and Problems of Thermodynamics for Engineers; McGraw-Hill, 1993.
• B. Buecker, « Solutions aux mesures difficiles du débit de la centrale électrique »; Power Engineering, décembre 2018. 
• Kreith, F. et R.M. Manglik, Principes de transfert de chaleur, 8^e édition. Engager l’apprentissage.
• M. Peters, Génie chimique élémentaire; McGraw-Hill, 1954.
•  B. Buecker, « Le programme informatique prédit la propreté du condenseur »; Power Engineering, juin 1992.
•  B. Buecker, « Gérer la mesure de débit difficile »; Industrial WaterWorld, (maintenant Water Technology), mai/juin 2018.

À propos des auteurs

Tom Nix

Conseiller principal du personnel technique

Tom Nix est un expert technique de confiance possédant des décennies d’expérience en traitement de l’eau industrielle. Nix connaît bien une vaste gamme d’applications, y compris la clarification de l’affluent, le ramollissement, la déminéralisation, l’osmose inverse, le traitement de l’eau de refroidissement, le traitement des chaudières à basse et haute pression et le traitement des eaux usées. Il est titulaire d’un baccalauréat en biologie environnementale de l’Université du Texas à Austin. 

Brad Buecker

Président de Buecker & Associates, LLC

Brad Buecker est président de Buecker & Associates, LLC, et plus récemment, il a occupé le poste de publiciste technique principal chez ChemTreat, Inc. Il possède plus de quatre décennies d’expérience dans l’industrie de l’électricité ou en soutien, dont une grande partie dans la chimie de production de vapeur, le traitement de l’eau et le contrôle de la qualité de l’air. Buecker est titulaire d’un baccalauréat en chimie de l’Iowa State University. Il a écrit ou coécrit plus de 250 articles pour divers magazines spécialisés techniques et a écrit trois livres sur la chimie des centrales électriques et le contrôle de la pollution atmosphérique. Il siège au conseil consultatif éditorial de la technologie de l’eau et est membre du comité de planification de l’ACS, de l’AIChE, de l’AIST, de l’ASME, de la NACE (maintenant AMPP) et de l’atelier de chimie des services publics d’électricité.

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