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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 481 − 1 Réfrigérants atmosphériques par Pierre LEMOINE Ingénieur de l’École Breguet Chef du Service Technique des Sources Froides des Établissements SCAM-Alsthom et article présente de manière détaillée les différents réfrigérants industriels et les aspects à considérer lors de l’achat d’un tel réfrigérant. Les réfrigérants monoblocs sont également abordés. 1. Principe de refroidissement.................................................................. B 2 481 - 2 2. Divers types de réfrigérants atmosphériques ................................. — 2 2.1 Réfrigérants pour centrales électriques..................................................... — 2 2.2 Réfrigérants industriels............................................................................... — 2 2.3 Réfrigérants monoblocs.............................................................................. — 2 3. Réfrigérants industriels.......................................................................... — 2 3.1 Différents types de réfrigérants industriels............................................... — 2 3.2 Construction d'un réfrigérant industriel .................................................... — 5 4. Achat d'un réfrigérant industriel ........................................................ — 9 4.1 Besoins ......................................................................................................... — 9 4.2 Réfrigérant optimal...................................................................................... — 10 4.3 Implantation du réfrigérant......................................................................... — 11 4.4 Bilan. Prix ..................................................................................................... — 11 4.5 Quelques chiffres......................................................................................... — 12 4.6 Mise en service ............................................................................................ — 12 4.7 Réception...................................................................................................... — 13 4.8 Entretien ....................................................................................................... — 13 5. Réfrigérants monoblocs......................................................................... — 15 5.1 Principe d'exécution.................................................................................... — 15 5.2 Achat et réception........................................................................................ — 16 6. Conclusion ................................................................................................. — 16 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 481 C RÉFRIGÉRANTS ATMOSPHÉRIQUES ________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 2 481 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique 1. Principe de refroidissement Nous rappellerons ci-dessous les éléments de base entrant dans le calcul du dimensionnement d’un réfrigérant industriel. I Calcul thermique L’équation fondamentale de la transmission de chaleur dans un réfrigérant atmosphérique à contre-courant, résultant de la théorie de Merkel, est la suivante : Q = KS ∆Hm avec ∆Hm différence moyenne d’enthalpie entre l’air de refroidis- sement et l’air saturé à la température de l’eau, K coefﬁcient d’échange caractéristique de la surface d’échange, Q quantité de chaleur échangée, S surface de contact air/eau. Les deux facteurs K et S caractérisent directement la qualité du réfrigérant, le facteur ∆Hm dépendant uniquement des conditions de fonctionnement imposées par l’utilisateur (plus l’écart moyen de température entre l’air et l’eau est important, plus la quantité de chaleur éliminée est grande pour un réfrigérant donné). Le calcul thermique permet donc de déterminer les caractéris- tiques du réfrigérant : dimensions, surface d’échange, débit d’air. I Calcul aérodynamique La perte de charge globale ∆p de l’air au passage dans le réfri- gérant est la somme des pertes de charge singulières : ∆p = ∆p1 + ∆p2 + ∆p3 + ∆p4 + ∆p5 avec ∆p1 perte de charge à l’entrée d’air, ∆p2 perte de charge dans les zones d’échange, ∆p3 perte de charge au niveau de la distribution d’eau, ∆p4 perte de charge au séparateur de gouttes, ∆p5 perte de charge au passage du ventilateur. La connaissance de la perte de charge globale et du débit d’air donné par le calcul thermique permet de déterminer les caractéristiques du ou des ventilateurs : diamètre, vitesse de rotation, puissance absorbée. 2. Divers types de réfrigérants atmosphériques 2.1 Réfrigérants pour centrales électriques Ces réfrigérants, destinés à assurer le refroidissement de débits d’eau très importants, peuvent atteindre pour une unité jusqu’à 200 000 m3/h. 2.2 Réfrigérants industriels Les réfrigérants industriels sont des appareils de capacité moyenne ou importante caractérisés principalement par leur encombrement qui nécessite une mise en place sur site des dif- férents éléments livrés démontés. La gamme des débits d’eau correspondants s’étend de 50 à 100 m3/h pour les plus petits modèles, à 50 000 m3/h pour les unités les plus importantes. Les réfrigérants sont constitués d’une seule unité pour les débits faibles et moyens et de plusieurs unités accolées pour les gros débits. Les réfrigérants industriels existent sous forme préfabriquée pour le bas de gamme (50 à 2 000 m3/h) et sont réalisés à la demande pour le haut de gamme (500 à 50 000 m3/h), ainsi que pour les appareils spéciaux de tout débit (problèmes de corrosion, d’eaux chargées, etc.). Ils peuvent répondre à des critères particuliers (implantation, nature des matériaux de l’enveloppe, du bassin ou de la surface d’échange, hauteur réduite, fonctionnement silencieux, etc.) pouvant être exigés par l’acheteur en fonction des fonctions locales d’exploitation. 2.3 Réfrigérants monoblocs Ces appareils, contrairement aux réfrigérants industriels, sont fabriqués en usine chez le constructeur et livrés prêts à fonctionner chez l’utilisateur, après raccordements hydraulique et électrique. Les cellules de dimensions importantes sont parfois livrées en deux ou trois éléments assemblables rapidement sur place pour faciliter le transport et la manutention (bassin, corps du réfrigérant, ventilation). Leur encombrement est donc limité par des problèmes de trans- port et de mise en place et les débits unitaires dépassent rarement 300 m3/h. Ils sont pratiquement toujours prévus pour être montés batteries par juxtaposition de plusieurs éléments unitaires. 3. Réfrigérants industriels 3.1 Différents types de réfrigérants industriels Bien que le principe de refroidissement soit identique pour tous les appareils, on distingue un grand nombre de variantes dans la réalisation pratique, ces variantes correspondant chacune à une utilisation spéciﬁque du réfrigérant atmosphérique. Les principales différences portent sur : — l’appel d’air ; — la circulation d’air ; — la surface d’échange ; — la ventilation. 3.1.1 Appel d’air La circulation d’air peut être assurée de façon naturelle ou artiﬁcielle. 3.1.1.1 Appel d’air par tirage naturel Dans ces appareils, la circulation d’air est assurée par une cheminée placée au-dessus des surfaces d’échange. Cette solution existe encore pour certains anciens appareils, mais est actuellement réservée aux réfrigérants de grande capacité destinés princi- palement aux centrales électriques. 3.1.1.2 Appel d’air par tirage mécanique La circulation d’air est assurée par un ou plusieurs ventilateurs placés en partie basse ou en partie haute des réfrigérants. _______________________________________________________________________________________________________ RÉFRIGÉRANTS ATMOSPHÉRIQUES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 2 481 − 3 Le constructeur, connaissant les caractéristiques de perte de charge du circuit d’air, peut ﬁxer exactement la valeur du débit d’air et mieux déterminer les réfrigérants répondant parfaitement à la demande. Ceci permet la réalisation d’appareils beaucoup plus petits qu’en tirage naturel, plus souples d’exploitation, moins onéreux et plus efﬁcaces. 3.1.2 Circulation d’air La circulation d’air se fait pratiquement toujours à contre-courant de l’eau, dans les appareils construits en Europe. Elle se fait, par contre, le plus souvent aux Etats-Unis à courants croisés. 3.1.2.1 Courants croisés La circulation d’air dans la zone d’échange se fait horizontale- ment. Elle est donc croisée avec celle de la pluie qui tombe verti- calement. Ce système conduit à des encombrements importants (20 à 40 % de plus en surface au sol par rapport aux réfrigérants à contre-courant). Il se pose souvent des problèmes de répartition d’eau dans les zones exposées au vent et les surfaces sont sensibles au gel. Un avantage des courants croisés est, dans certains cas, d’avoir une puissance de ventilation légèrement plus faible. 3.1.2.2 Contre-courant La circulation d’air dans la zone d’échange se fait verticalement, de bas en haut, à contre-courant de l’eau tombant par gravité. Pratiquement, tous les réfrigérants industriels construits en France sont de ce type. 3.1.3 Surface d’échange La surface d’échange du réfrigérant comprend un ensemble d’éléments destinés à assurer le meilleur contact entre l’eau à refroidir et l’air de refroidissement. La surface d’échange idéale doit : — augmenter au maximum le temps de chute de l’eau pour prolonger le temps de contact air/eau ; — étaler ou fractionner l’eau le plus possible pour obtenir une surface d’échange importante ; — présenter au passage de l’air une faible résistance pour limiter la puissance de ventilation. Ces trois exigences sont parfois contradictoires et la tâche du constructeur est de présenter le meilleur compromis. Trois systèmes existent. 3.1.3.1 Système à pulvérisation Il consiste à pulvériser l’eau sous forte pression dans un courant d’air important. Ce système est pratiquement abandonné aujourd’hui en raison de deux inconvénients majeurs : — un encombrement très important, la surface d’échange étant faible ; — des frais d’exploitation élevés (pompage et ventilation). 3.1.3.2 Surface d’échange à ﬁlm Ce système est actuellement le plus employé en Europe. L’eau s’écoule en ﬁlm mince sur des surfaces d’échange verticales très rapprochées entre lesquelles circule à contre-courant l’air extérieur (ﬁgure 1a). La hauteur totale des éléments d’échange se situe entre 0,90 et 1,50 m. Les surfaces d’échange peuvent être réalisées en différents matériaux : amiante-ciment, tôle galvanisée, plastique, etc. Toutefois, la majorité des appareils construits actuellement possède des éléments en feuilles droites ou ondulées en matières plastiques [poly(chlorure de vinyle), PVC], assemblées en blocs dits packings (ﬁgure 1b) Les feuilles élémentaires de PVC sont obtenues par thermo- formage de feuilles planes ou par extrusion et formage à chaud. Ces systèmes permettent d’obtenir un gaufrage dans deux plans améliorant considérablement les qualités d’échange. Les feuilles sont ensuite assemblées entre elles par collage, soudure à froid ou soudure par points pour former les packings. L’utilisateur veillera à ce que les packings qui lui sont proposés soient de bonne qualité. En particulier : — la tenue uploads/Industriel/ refrigerant-atmospherique.pdf