Qu'est-ce qu'une tour de refroidissement à tirage naturel ?
Les tours de refroidissement à tirage naturel (tours de refroidissement par convection naturelle) exploitent le principe du flux convectif pour assurer la circulation de l'air. Ces tours sont généralement très hautes pour garantir un flux d'air suffisant, et leur construction est coûteuse. Elles sont utilisées dans des applications nécessitant un refroidissement constant et important sur de longues périodes, comme dans une centrale thermique.
Tours de Refroidissement à Tirage Naturel
Comment fonctionne une Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
La vidéo ci-dessous est un extrait de notre cours vidéo en ligne Introduction aux Tours de Refroidissement.
L'eau de refroidissement froide est pompée depuis le réservoir de la tour de refroidissement vers la centrale électrique. L'eau de refroidissement est chauffée par le processus, ce qui augmente sa température. L'eau de refroidissement chaude est ensuite renvoyée vers la tour de refroidissement pour être refroidie.
Système d'Eau de la Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
L'eau chaude entrante est distribuée à travers des buses de pulvérisation à l'intérieur de la tour. Les buses pulvérisent l'eau chaude uniformément sur l'ensemble du garnissage. L'eau descend à travers le garnissage tandis que l'air monte.
Composants de la Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
Au fur et à mesure que l'eau descend à travers le garnissage, une partie s'évapore, ce qui refroidit l'eau restante (refroidissement par évaporation).
Section Transversale de la Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
Lorsque l'air traverse le garnissage, sa température augmente et il monte au sommet de la tour de refroidissement grâce à l'effet de cheminée (l'air chaud est moins dense que l'air froid et monte donc au-dessus de celui-ci). L'air sortant du sommet de la tour aspire plus d'air à la base de la tour, créant un flux d'air naturel de la base vers le sommet de la tour ; c'est l'effet de cheminée et il est continu tant que l'eau de refroidissement est constamment circulée.
Flux d'Air et d'Eau
Flux Contre-Courant et Flux Croisé
Les tours de refroidissement à tirage naturel peuvent être de conception contre-courant ou flux croisé. Les tours de refroidissement à tirage naturel à flux croisé ont une base beaucoup plus large que les tours de refroidissement à tirage naturel contre-courant.
Tour de Refroidissement à Tirage Naturel Contre-Courant
Tour de Refroidissement à Tirage Naturel à Flux Croisé
Avantages et Inconvénients
Avantages
- Faibles coûts de maintenance.
- Faibles coûts d'exploitation.
- Faibles pertes du système (généralement moins de 1% du débit total).
- Niveau sonore faible car il n'y a pas de ventilateurs utilisés.
- Grande capacité de refroidissement.
Inconvénients
- Investissement initial en capital important.
- Difficile parfois d'obtenir un permis de construire en raison de la grande structure et de l'impact esthétique sur la zone locale.
Hivernage
Les tours de refroidissement à tirage naturel peuvent fonctionner dans des environnements en dessous de zéro, ce qui peut entraîner le gel de l'eau du réservoir. Plusieurs méthodes sont employées pour éviter cela.
- Vidanger la tour de l'eau de refroidissement. Une méthode simple et efficace pour éliminer la possibilité de dommages dus au gel de l'eau, mais cela rend la centrale électrique inopérante.
- Faire circuler l'eau de refroidissement pour maintenir une température au-dessus de zéro dans le réservoir de la tour de refroidissement. Cette méthode est utilisée par la plupart des centrales car elle est économique et relativement facile à mettre en œuvre.
- Doser l'eau de la tour de refroidissement avec de l'antigel. Cela empêcherait l'eau de geler, mais ce n'est pas une solution financièrement viable en raison du grand volume d'eau dans le système.
- Chauffer le réservoir de la tour de refroidissement. Cette option n'est généralement pas économiquement viable.
Pourquoi les tours de refroidissement à tirage naturel ont-elles une forme si étrange ?
Les tours de refroidissement à tirage naturel ont une forme très unique pour plusieurs raisons. La première raison est que la forme réduit la quantité de matériaux de construction nécessaires pour construire une tour aussi grande. La deuxième raison est que la forme paraboloïde de la tour accélère le flux d'air à travers la tour, ce qui augmente la capacité de refroidissement de la tour. Les tours de refroidissement à tirage naturel sont parfois appelées tours hyperboliques bien que le terme correct soit hyperboloïde.
Qu'est-ce que l'effet de cheminée ?
Lorsque l'air est chauffé, il devient moins dense. Parce que l'air chaud est moins dense que l'air froid, il s'élèvera au-dessus de l'air froid en raison de la différence de densité. Ce processus de séparation de l'air chaud et froid basé sur les densités est connu sous le nom d'effet de cheminée ou d'effet de tirage.
Par exemple, une montgolfière vole dans l'air grâce à l'air chaud contenu dans le ballon. L'air chaud est moins dense que l'air ambiant environnant, c'est pourquoi l'air chaud monte, entraînant le ballon avec lui.
Montgolfière
Composants du Modèle 3D
Ce modèle 3D montre tous les principaux composants associés à une tour de refroidissement hyperboloïde à tirage induit typique, ceux-ci incluent :
- Garnissage (Échangeur de Chaleur)
- Buses de Pulvérisation
- Tuyauterie
- Bassin/Réservoir
- Éliminateur de Gouttelettes
- Ventilateur
- Structure de la Tour (Tour Hyperboloïde)
Ceci est un modèle 3D d'une Tour de Refroidissement à Tirage Naturel.
Annotations du Modèle 3D
Composants de la Tour de Refroidissement à Tirage Naturel
Les tours de refroidissement à tirage naturel (tours de refroidissement par convection naturelle) utilisent le principe du flux convectif pour assurer la circulation de l'air. Elles sont hautes afin d'induire un flux d'air adéquat. Elles sont également coûteuses à construire et ne sont utilisées que pour des applications nécessitant un refroidissement constant important sur de nombreuses années ; une centrale thermique en est un exemple.
Bassin Collecteur (réservoir)
Le bassin collecteur est un réceptacle sous la tour de refroidissement pour collecter l'eau refroidie par la tour de refroidissement ; il est généralement construit en béton. L'eau de refroidissement 'froide' est pompée du bassin de la tour de refroidissement vers le processus, par exemple, une centrale électrique.
Système de Distribution
La partie d'une tour de refroidissement qui distribue l'eau sur la zone de garnissage se compose généralement d'entrées à brides, de vannes de contrôle de débit, de branches de pulvérisation, d'orifices de mesure, de buses de pulvérisation et d'autres composants connexes. Le but du système de distribution est d'assurer une distribution uniforme de l'eau à toutes les buses de pulvérisation.
Sump
Le sump (baie d'aspiration de la pompe) est une partie déprimée du bassin collecteur d'où l'eau 'froide' est aspirée vers la/les pompe(s) centrifuge(s), puis déchargée vers le processus, par exemple, une centrale électrique. Le sump contient généralement des crépines, des dispositifs anti-vortex et un raccord de vidange ou de nettoyage.
Garnissage
Le garnissage est essentiellement un échangeur de chaleur qui maximise la surface de contact entre l'eau de refroidissement et l'air. L'air passe vers le haut à travers le garnissage tandis que l'eau descend sous l'effet de la gravité. Lorsque l'air passe sur l'eau, une partie de l'eau s'évapore, et l'eau restante est refroidie (refroidissement par évaporation). Les tours de refroidissement utilisent deux principaux types de garnissage, le 'garnissage film' et le 'garnissage éclaboussure'. Le garnissage film est plus efficace, mais plus coûteux et plus sujet à l'encrassement.
Éliminateurs de Gouttelettes
Le 'drift' est le nom donné aux molécules d'eau perdues du système d'eau de refroidissement en raison de l'évaporation. Un grand panache de vapeur blanche peut souvent être vu s'élevant des tours de refroidissement à tirage naturel, c'est le 'drift', et cela représente une perte financière (l'eau perdue doit être remplacée). Les éliminateurs de gouttelettes réduisent les pertes d'eau et, par conséquent, réduisent les coûts d'exploitation.
Les éliminateurs de gouttelettes se composent de lames parallèles disposées du côté de la sortie d'air de la tour pour éliminer les gouttelettes d'eau entraînées du flux d'air sortant. La forme de l'éliminateur de gouttelettes oblige les gouttelettes d'eau entraînées à changer de direction plusieurs fois (chemin de flux tortueux) avant d'être évacuées de la tour. L'air n'a aucun problème à changer de direction et à passer à travers l'éliminateur de gouttelettes, mais les gouttelettes d'eau s'y heurtent, se condensent, puis retombent sur le garnissage et retournent au bassin de la tour de refroidissement.
Tour Hyperboloïde
Il y a deux raisons principales pour lesquelles les tours de refroidissement à tirage naturel ont une forme si unique. La première raison est que la forme réduit la quantité de matériaux de construction nécessaires pour construire une tour aussi grande. La deuxième raison est que la forme hyperboloïde de la tour accélère le flux d'air à travers la tour, ce qui augmente la capacité de refroidissement de la tour. L'air 'froid' entre à la base de la tour, est aspiré vers le haut à travers le garnissage, est chauffé, puis sort par le sommet de la tour. C'est la différence de température de l'air - et par conséquent de densité de l'air - qui provoque le flux d'air convectif à travers la tour (l'air plus chaud est moins dense et monte à travers la tour, ce qui entraîne l'air ambiant plus froid à être aspiré à travers la base de la tour). Le processus de l'air chaud (moins dense) montant au-dessus de l'air plus froid (plus dense) est appelé 'effet de cheminée' ou 'effet de tirage'.
Buses de Pulvérisation
Le but des buses de pulvérisation est de répartir l'eau uniformément sur le garnissage et ainsi maximiser la surface de contact entre l'eau et l'air. Une grande surface de contact est souhaitée car elle offre une capacité de transfert de chaleur beaucoup plus grande. Tous les échangeurs de chaleur reposent sur une grande surface de contact entre les milieux en écoulement, car cela assure un contact thermique élevé entre eux.
Sortie d'Eau de Refroidissement
L'eau de refroidissement est aspirée du réservoir et envoyée aux condenseurs de la turbine à vapeur par cette connexion.
Entrée d'Eau de Refroidissement
L'eau de refroidissement retournée des condenseurs entre par cette connexion.
Air Chauffé
Lorsque l'air passe à travers le garnissage, sa température augmente et il monte à travers la tour.
Entrée d'Air
L'air ambiant est aspiré dans la tour par la base de la tour.
Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
https://filter.eu/what-is-a-cooling-tower/
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/natural-draft-cooling-tower