Les tours de refroidissement sont un composant essentiel de la plupart des installations industrielles et commerciales. Ils refroidissent l’eau utilisée pour une variété de processus et d’applications. Dans un prochain message, nous discuterons du rôle que jouent les tours de refroidissement dans les efforts de durabilité de votre installation, mais aujourd’hui, nous voulons répondre à la question : comment fonctionnent les tours de refroidissement? Commençons par les bases.
Les principes fondamentaux du fonctionnement des tours de refroidissement
Les tours de refroidissement sont des échangeurs de chaleur spécialisés conçus pour éliminer la chaleur résiduelle en créant de la vapeur. Leur fonction est de tirer la chaleur de l’eau et de retourner l’eau froide pour refroidir l’équipement industriel. Dans une tour de refroidissement, la chaleur est transférée par une chaleur sensible et latente.
- Chaleur sensible : transfert de chaleur lié aux changements de température de l’eau
- Chaleur latente : transfert de chaleur lié à des changements d’état physique
Avec les tours de refroidissement, la majeure partie de la chaleur est transférée dans l’atmosphère par recirculation de l’évaporation de l’eau de refroidissement. Le refroidissement par évaporation est fréquemment utilisé pour éliminer de grandes quantités de chaleur des processus, de l’équipement et des espaces de vie. Ceci est illustré dans l’équation de transfert de chaleur suivante :
Q = LHe x m
Où : Q = chaleur évaporative (perte de chaleur)
LHe = chaleur latente de la vaporisation/évaporation de l’eau (Btu/lb)
m = masse d’eau
Le rôle de l’eau dans le processus de refroidissement
L’eau est utilisée comme milieu dans les tours de refroidissement. Une quantité relativement importante de chaleur est libérée (1 000 Btu) pour chaque livre d’eau évaporée. Lorsqu’il s’agit d’eau, le transfert de chaleur est environ 1 000 fois plus efficace par évaporation que par chaleur sensible. La valeur réelle est légèrement inférieure (970,4 Btu), mais dans l’ensemble de l’industrie, la valeur de 1 000 Btu par livre est universellement acceptée.
Les tours de refroidissement sont conçues pour créer un transfert de chaleur efficace en connectant l’air et l’eau de manière efficace et rapide. Environ 75 à 95 % de la chaleur du procédé, de l’équipement ou des bâtiments est éliminée par évaporation et seulement 5 à 25 % est éliminée par convection.
Le concept de température des ampoules humides et sèches doit être pris en compte. La température de l’ampoule humide est définie comme la température d’eau la plus basse à laquelle la chaleur peut être éliminée par évaporation. Plus la température de l’ampoule humide est basse, plus l’humidité relative est faible et plus la tour de refroidissement est efficace pour éliminer la chaleur.
Conceptions de tours de refroidissement
Il existe trois modèles de tours différents. Le bon type est déterminé en fonction de la taille du système/de l’application, de l’emplacement géographique/du climat, de la qualité de l’eau et des coûts des services publics locaux.
- Ébauche naturelle : hyperbolique de grande taille, généralement présent dans les centrales électriques
- Flux croisé : tirage induit ou tirage forcé
- Contre-courant : tirage induit ou tirage forcé
Évaporation
Lorsque l’eau de recirculation d’une tour de refroidissement s’évapore, elle sort théoriquement sous forme de vapeur pure. Un pourcentage extrêmement faible de cette vapeur transporte de minuscules gouttelettes d’eau contenant des solides dissous. C’est ce qu’on appelle la dérive de la tour de refroidissement. Au début de notre discussion, la dérive de la tour de refroidissement sera considérée comme hors de portée.
Cycles de concentration
Les diagrammes séquentiels de la figure 1 illustrent ce que nous entendons par cycles de concentration. Au fur et à mesure que plus d’eau s’évapore, la quantité de solides dissous reste constante, de sorte que leur concentration augmente.
Approche de la tour de refroidissement
- La différence entre la température du carter d'huile froid et la température de l'ampoule humide s'appelle l'approche de la tour de refroidissement.
- La différence de température entre l'eau de retour chaude et l'eau froide du puisard est appelée plage de refroidissement (ΔT).
Équation par évaporation
L’équation de la figure 2 aide à déterminer la quantité d’eau évaporée (E) en gallons par minute.
Remarque : Le terme ΔT est la chute de température réelle mesurée à travers la tour et non la température de conception.
Intérieur de la tour de refroidissement
Contre-débit
L’eau de retour chaude et le débit d’air sont en opposition directe les uns avec les autres. Les éliminateurs de dérives présentent un chemin difficile à parcourir pour les gouttelettes d’eau. La plupart des gouttelettes d’eau ne peuvent pas se retrouver dans l’atmosphère et retomber dans le bassin de la tour de refroidissement, ce qui entraîne une diminution de la consommation annuelle d’eau.
Remplissage par éclaboussures
Bien qu’il ne soit pas considéré comme le plus efficace, le remplissage par éclaboussures est toujours utilisé dans de nombreuses applications, y compris l’eau d’appoint de mauvaise qualité ou les tours servant des applications avec un potentiel élevé de contamination du processus d’eau de refroidissement. Dans ces conditions, le remplissage plus efficace peut s’encrasser et nécessiter des nettoyages chimiques fréquents.
Film-Remplissage
Le film de remplissage est le plus souvent utilisé et largement connu. C’est la construction de type PVC familière, avec le motif gaufré caractéristique qui répartit l’eau de refroidissement sur une plus grande surface pour le contact avec le débit d’air circulant. Le film de remplissage peut être utilisé dans les applications où la qualité de l’eau d’appoint est bonne et où les températures de l’eau de retour chaude ne dépassent jamais 140 °F.
Calculs de l’équilibrage de masse de la tour de refroidissement
En plus des équations ci-dessous, les cycles de concentration (COC) peuvent également être calculés en utilisant le rapport entre l’eau d’appoint et la purge.
Évaporation (gal/min)
Taux de recirculation (gpm) x ΔT x Ef / 1 000
Maquillage (gal/min)
MU = évaporateur (gpm) x (C/(C-1))
C = cycles de concentration, généralement déterminés par :
concentration de chlorure/chlorure d’eau d’appoint de la tour de refroidissement
ou
Concentration de magnésium/magnésium dans l’eau d’appoint de la tour de refroidissement
Utiliser du magnésium si le chlore, l’hypochlorite, le brome ou le dioxyde de chlore est utilisé comme biocide oxydant.
- Purge = Maquillage – Évaporation (tous en gpm)
- Saignement (perte intentionnelle d’eau) = purge – dérive
- Dérive = 0,01 à 0,3 % pour les tours de tirage mécanique
- Dérive = 0,3 à 1,0 % pour les tours de courants d’air naturels
- Demi-vie (indice de durée de conservation) (h) = 0,693 x V/BD (durée jusqu’à 50 % d’épuisement)
- Demi-vie (h) = 2,303 x V/B x Log10Ci/Cf
- V = Volume du système
- BD = Soufflage
- Ci = concentration initiale de l’additif
Cf = Concentration finale de l’additif
Choisir le bon emplacement pour votre tour de refroidissement
Si possible, suivez les recommandations suivantes lorsque vous choisissez un emplacement de tour de refroidissement :
- Ne pas placer près de sources de contaminants
- Emplacement où le puisard peut être facilement nettoyé
- Évitez les pattes mortes pour réduire les dépôts et la corrosion potentiels
- Minimiser la lumière du soleil pour réduire la croissance potentielle des algues
- Ajouter des filtres à jet latéral pour éliminer les solides (5 à 7 % du débit)
Système de refroidissement libre
Grâce à la manipulation des vannes d'isolement du condenseur et du collecteur d'eau glacée, le système peut être configuré pour que le débit d'eau de la tour de refroidissement contourne le refroidisseur (qui est sécurisé/ne fonctionne pas) et s'écoule directement à travers la tuyauterie/le serpentin d'eau glacée vers la centrale de traitement d'air.
L'eau de la centrale de traitement d'air est ensuite retournée à la tour de refroidissement pour répéter le cycle. Le fait de ne pas faire fonctionner le compresseur du refroidisseur et les pompes de circulation à boucle d'eau glacée permet de conserver l'alimentation électrique. La température ambiante extérieure requise pour le refroidissement libre est de 40 à 45 °F.
Directives opérationnelles générales
- Maintenir le flux à travers l’équipement hors ligne ou le mettre hors service correctement
- Arrêtez rapidement les fuites de processus
- Viser à respecter les paramètres de contrôle de traitement de l’eau de refroidissement recommandés
Il est important de rester vigilant et de garder à l’esprit ce qui suit :
- Fonctionnement
- Traitement de l’eau
- Entretien préventif et correctif (documentation)
- Tendances statistiques des indicateurs clés de performance et des paramètres de test
- Surveillance, contrôle et communication automatisés du système
- Programme d’étalonnage bien conçu et exécuté
De nombreux facteurs contribuent à l’efficacité de votre système de refroidissement. Comme pour toutes les autres technologies, une diligence raisonnable est nécessaire pour déterminer la faisabilité de l’utilisation de nouvelles méthodes. Consultez toujours les manuels et guides de votre équipement, et n’oubliez pas de communiquer avec l’équipe expérimentée de ChemTreat pour obtenir de l’aide!
