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Refroidissement des eaux

par Pierre LEMOINEIngénieur de l'École BreguetChef du Service Technique des Sources Froides des Établissements SCAM-Alsthom

Nécessité du refroidissement out travail, qu'il soit mécanique, chimique ou autre, est la source d'uneproduction de chaleur parasite la plupart du temps gênante, et parfois

même nuisible. Le refroidissement des installations et des matériels doit doncêtre assuré en permanence si l'on veut conserver leur qualité et leur rendement.

Les cycles thermiques fonctionnant selon le principe de Carnot sontparticulièrement sensibles au phénomène d'échauffement, le rendement étantlié directement à la température de la source froide.

Dans un grand nombre de cas, le refroidissement se fait naturellement paréchange avec le milieu environnant. Ce refroidissement naturel n'est cependantpas toujours suffisant et l'on doit alors avoir recours à un refroidissement forcé.

Nous n'abordons pas dans cet article le refroidissement à basse températurenécessitant l'utilisation de machines frigorifiques (article Théorie des machinesfrigorifiques. Machine à compression mécanique [B 9 730] dans ce traité).

1. Différents systèmes de refroidissement forcé ................................ B 2 480 - 21.1 Refroidissement en circuit ouvert .............................................................. — 21.2 Refroidissement en circuit fermé ............................................................... — 2

2. Deux types de réfrigérants.................................................................... — 32.1 Réfrigérants secs ......................................................................................... — 3

2.1.1 Aéroréfrigérants.................................................................................. — 32.1.2 Aérocondenseurs................................................................................ — 3

2.2 Réfrigérants humides .................................................................................. — 4

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1. Différents systèmesde refroidissement forcé

La classification choisie dans cet article est donnée dans lafigure 1.

1.1 Refroidissement en circuit ouvert

Dans ce cas, le fluide de refroidissement, en général de l’eau, estpuisé dans un réservoir naturel (rivière, lac, puits, etc.) et est rejetéaprès passage dans les appareils à refroidir (figure 2a ).

Cette solution simple est adoptée chaque fois que la source froideexiste en quantité suffisante et qu’il n’y a pas de contre-indications,celles-ci pouvant provenir de différents facteurs :

— température de la source froide trop élevée pour assurer unrefroidissement correct ;

— source froide polluante ou corrosive (eau de mer ou embou-chure des fleuves, par exemple) ;

— eau froide très chargée en sels minéraux (cas d’un grandnombre de forages) ;

— débit d’eau trop faible entraînant un rejet à température élevée(pollution thermique) interdit par la législation ;

— risque de rejet de matières dans l’eau de refroidissement nonautorisées par la législation (cas de certaines usines chimiques).

1.2 Refroidissement en circuit fermé

Lorsqu’il n’est pas possible d’adopter un refroidissement encircuit ouvert, il convient de se tourner vers un système de refroidis-sement en circuit fermé dans lequel le fluide peut être réutilisé aprèsrefroidissement dans un appareil appelé réfrigérant (figure 2b ).

On distingue deux systèmes principaux.

� Les refroidisseurs à parois appelés habituellement réfrigérantssecs : dans ces appareils, il n’y a aucun contact physique entre lefluide refroidi et le fluide refroidisseur. La séparation peut êtreconstituée par la paroi de tubes ou de plaques. Le refroidissements’effectue uniquement par convection et les fluides peuvent être denature quelconque.

Dans cette catégorie de refroidisseurs entrent :— les échangeurs (entre liquide et liquide) et condenseurs

classiques (article Échangeurs de chaleur à contact direct[BE 9 565] dans ce traité) ;

— les aéroréfrigérants (entre fluide et air) ;— les aérocondenseurs (entre vapeur et air).

� Les refroidisseurs sans parois appelés habituellement réfri-gérants humides : dans ces appareils, on recherche au contraire uncontact direct, aussi intime que possible, entre les deux fluides. Il n’ya donc aucune séparation physique entre eux. Le refroidissements’opère alors à la fois par convection pour une faible part, et princi-palement par évaporation d’une fraction du fluide à refroidir.

Pratiquement, le fluide à refroidir doit être de l’eau et le fluiderefroidisseur de l’air.

Figure 1 – Classification des systèmes de refroidissement forcé

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2. Deux types de réfrigérantsNous décrirons ci-après les deux types de réfrigérants utilisant

l’air comme fluide refroidisseur.

2.1 Réfrigérants secs

Comme nous l’avons vu précédemment, les deux fluides ne sontpas en contact dans ces appareils. On distingue deux types deréfrigérants (figure 3) caractérisés par l’évolution du fluide àrefroidir :

— les aéroréfrigérants, dans lesquels le fluide est simplementrefroidi sans changement d’état ;

— les aérocondenseurs, dans lesquels la vapeur subit un chan-gement d’état.

2.1.1 Aéroréfrigérants

Dans ces réfrigérants, le fluide à refroidir est mis en circulationpar une pompe ou un ventilateur, selon sa nature, et traverse unensemble de tubes ou profilés dont la paroi extérieure est soumiseà une circulation d’air naturelle ou forcée.

L’adoption d’un tel système est obligatoire lorsque le fluide àrefroidir n’est pas de l’eau ou de la vapeur d’eau.

Il comporte, par ailleurs, un certain nombre d’avantages condui-sant dans certains cas à son adoption par l’utilisateur quel que soitle fluide. On peut noter en particulier les points suivants :

— la séparation totale des fluides permet de conserver lesqualités du fluide à refroidir ;

— tous les fluides (liquides ou gazeux) peuvent être refroidis parce procédé ;

— il n’y a pas de pollution de l’air de refroidissement, si ce n’estun réchauffage, car il n’est jamais en contact avec le fluide refroidi ;en particulier, les retombées de buées ou de gouttes sont pratique-ment inexistantes dans l’environnement ;

— le fluide à refroidir ne subit aucune pollution due à l’air derefroidissement ;

— ce système ne demande aucun appoint de fluide à refroidirpendant ou après son passage dans l’aéroréfrigérant ;

— il est particulièrement adapté au refroidissement des fluidessans limite de température.

Les avantages ci-dessus admettent naturellement que les maté-riaux entrant dans la construction n’apportent pas, par leurprésence, des possibilités de corrosion ou de pollution.

Ces réfrigérants présentent malheureusement un certain nombred’inconvénients qui conduisent en général, lorsque cela est pos-sible, à adopter pour le refroidissement de l’eau un réfrigéranthumide. On notera en particulier :

— le prix élevé de l’appareil (de quatre à cinq fois plus cherqu’un réfrigérant humide selon les conditions de marche) ;

— parallèlement, des frais de fonctionnement importants dusaux puissances de ventilation nécessaires ;

— une plus grande complexité de conduite, notamment audémarrage et en période froide ;

— l’impossibilité d’obtenir des basses températures d’eaurefroidie (la limite théorique est celle de l’air ambiant).

2.1.2 Aérocondenseurs

Ces appareils fonctionnent sur le même principe que les aéro-réfrigérants. Le fluide à refroidir est en général de la vapeur d’eau(et parfois de l’ammoniac ou un autre gaz).

Leur utilisation principale se situe dans le domaine de la produc-tion d’énergie [centrales électriques de faible et moyenne puis-sance (< 100 MW) ou usines d’incinération d’ordures] lorsque leréfrigérant atmosphérique, associé à un condenseur classique nepeut être utilisé, par exemple, par manque d’eau d’appoint.

La principale utilité de ces appareils est de supprimer un étageintermédiaire de refroidissement (le condenseur) dans le cycle dela condensation de vapeur, ce qui peut être un avantage sur desgroupes de faible ou moyenne puissance. Par rapport aux réfrigé-rants humides, ils ont le défaut de donner des températures decondensation relativement élevées et de conduire à des coûtsd’investissement et de fonctionnement plus importants. Leur utili-sation est en général réservée, pour les aérocondenseurs de puis-sance moyenne, aux régions sèches, sans aucune possibilité detrouver de l’eau d’appoint.

Figure 2 – Circuits de refroidissement d'eau ouvert et fermé

Figure 3 – Principe de refroidissementpar aéroréfrigérant ou aérocondenseur

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Une difficulté supplémentaire se présente pour les fortespuissances : le diamètre des tuyauteries d’arrivée de vapeur àl’aérocondenseur devient important (plusieurs mètres), ainsi quel’encombrement global de l’installation.

2.2 Réfrigérants humides

Dans ces appareils, les deux fluides sont mis en contact demanière aussi intime que possible, et pendant le temps le plus longpossible pour favoriser le transfert de chaleur qui s’opère à la foispar convection et, principalement, par évaporation.

Les réfrigérants atmosphériques basés sur ce principe (figure 4)peuvent se classer en trois catégories :

— les réfrigérants atmosphériques à tirage naturel (figure 5),généralement employés pour le refroidissement de volumes d’eauimportants ;

— les réfrigérants atmosphériques à circulation d'air forcée parventilateurs (figure 6), qui constituent la majorité des appareilsindustriels réalisés ;

— les réfrigérants monoblocs (figure 7), qui sont des réfri-gérants industriels préfabriqués livrés prêts à l’utilisation.

Les réfrigérants atmosphériques sont des appareils simples, defonctionnement sûr, dont les avantages et les inconvénients parrapport aux réfrigérants secs sont les suivants.

� Avantages :— le moins onéreux des systèmes de refroidissement en circuit

fermé (achat et fonctionnement) ;— une possibilité d’obtenir des températures d’eau froide peu

élevées (parfois très inférieures à la température de l’air ambiantdans les pays chauds et secs) ;

— peu de contraintes d’entretien ;— l’encombrement le plus réduit de tous les types de réfrigérant.

� Inconvénients :— un contact direct de l’eau à refroidir avec l’air extérieur, d’où

un risque de pollution dans certains milieux (sidérurgie, usineschimiques, proximité des zones côtières, etc.) ;

— une perte en eau par évaporation devant être compensée enpermanence par un apport extérieur d’eau (1 à 5 % du débit àrefroidir) ;

— un traitement de l’eau nécessaire dans certains cas en fonc-tion de la nature de l’eau d’appoint et de l’environnement ;

— des risques d’entartrage des appareils desservis, si l’eaud’appoint est chargée en sels ;

— un rejet d’air chaud et humide dans l’atmosphère de volumeimportant dans les grosses installations.

Pour une étude plus approfondie sur ces différents réfrigérants,on se reportera dans ce traité aux articles suivants :

— l’article Réfrigérants atmosphériques [B 2 481], concernant lesréfrigérants humides industriels et monoblocs ;

— l’article Aéroréfrigérants secs [B 2 482], concernant les aéro-réfrigérants et les aérocondenseurs.

Figure 4 – Principe de refroidissementpar réfrigérant atmosphérique

Figure 5 – Réfrigérant atmosphérique à tirage naturel

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Figure 6 – Réfrigérants atmosphériquesà circulation d'air forcée par ventilateurs

Figure 7 – Réfrigérant mono bloc

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