Tour aéroréfrigérante

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Tours aéroréfrigérantes de la centrale thermique (à charbon) de Gelsenkirchen-Scholven (Allemagne). Il s'agit de tours aéroréfrigérantes de type hyperboloïde en béton.

Les tours aéroréfrigérantes ou TAR, aussi appelées tours de refroidissement, sont utilisées pour refroidir un liquide, généralement de l'eau, à l'aide d'un gaz, généralement l'air ambiant. Il s'agit d'un cas particulier d'un échangeur de chaleur où le transfert thermique s'effectue par contact direct ou indirect entre les flux. Les tours de refroidissement sont des équipements courants, présents dans des installations de climatisation, ou dans des procédés industriels et énergétiques (centrales électriques, installations de combustion, sucreries, chimie...).

Rôle[modifier | modifier le code]

Les tours aéroréfrigérantes ont pour fonction d'évacuer vers le milieu extérieur la chaleur issue de systèmes de refroidissement (climatisation ou procédé industriel) en faisant circuler de l'eau chaude dans un flux d'air. C'est un échangeur de chaleur entre l'eau et l'air ambiant.

Les tours aéroréfrigérantes sont destinées à refroidir des eaux qui ont été réchauffées par une source d'énergie. Dans les immeubles du tertiaire cette source d'énergie est le condenseur des installations frigorifiques.

Construction[modifier | modifier le code]

Tour[modifier | modifier le code]

Bien que ce ne soit pas la construction la plus fréquente, on entend souvent par tours aéroréfrigérantes une grande tour en béton ayant le plus souvent la forme d'un hyperboloïde à une nappe : L'eau à refroidir est amenée par une conduite en haut de la tour. À partir de cette arrivée elle est dispersée à l'aide d'un réseau de rampes percées, puis tombe par écoulement gravitaire sur un garnissage en nid d'abeille afin d'obtenir une grande surface de contact entre le liquide et l'air. Un flux d'air circule à contre courant. Une partie de l'eau va s'évaporer, ce qui provoque l'abaissement de la température.

Cette construction spectaculaire admet de nombreuses variantes : elle peut être réalisée en acier, mais aussi en bois. Sa forme peut être cylindrique ou tronconique. Des sections hexagonales ou rectangulaire sont également rencontrées.

Les tours aéroréfrigérantes en béton constituent généralement la partie la plus visible des centrales thermiques classiques et des centrales nucléaires. En France, leur hauteur peut atteindre 178 m (centrale nucléaire de Civaux)[1]. Ces aéroréfrigérants n'équipent que les centrales en bord de rivière dont la source froide ne permet pas d'évacuer la chaleur nécessaire au fonctionnement et permettent ainsi de diminuer la pollution thermique de cette source froide. La hauteur de ces réfrigérants peut être réduite pour des raisons visuelles (par exemple, compte tenu de la proximité des châteaux de la Loire, pour les centrales de Chinon où la hauteur des tours à tirage induit ne dépasse pas 30 m et de Saint-Laurent-des-Eaux où la hauteur a été limitée à 120 m [2]), le tirage devant alors être aidé par des ventilateurs dont la consommation électrique pénalise la rentabilité de l'installation.

Cellule métallique[modifier | modifier le code]

Schéma d'une cellule aéroréfrigérante :
A : bâti C: ventilateur E : clayettes
B : entrées d'air D : rampes d'arrosage F : bassin de rétention

Une tour aéroréfrigérante peut être constituée d'une enceinte métallique située au-dessus de la réserve d'eau refroidie et de ventilateurs (tirage forcé) ; l'eau à refroidir étant amenée par une conduite à une certaine hauteur dans la tour. À partir de cette arrivée, l'eau tombe par gravitation au fond de la tour sous forme de gouttelettes.

Étant donné leur faible hauteur qui ne permet pas de profiter d'un tirage naturel significatif, ces tours sont généralement dotées de ventilateurs assurant une circulation forcée de l'air de refroidissement. On distingue deux disposition pour ces ventilateurs :

  • les ventilateurs au sommet de la tour. Il s'agit d'un système efficace mais le mécanisme fonctionnant dans l'humidité, sa fiabilité est souvent problématique ;
  • les ventilateur latéraux, qui poussent l'air sous l'eau. Ce système permet de sortir le ventilateur du flux d'air humide, mais il présente l'inconvénient de nécessiter une cellule plus haute, ce qui augmente son coût de construction.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Échangeurs fermés[modifier | modifier le code]

Schéma d'une TAR à circuit fermé et arrosage des tuyauteries.

Dans ces échangeurs, le fluide à refroidir reste confiné dans des nappes de tuyauteries. L'air de refroidissement est renouvelé par convection naturelle ou est amené par des ventilateurs.

Ces échangeurs permettent d'éviter la pollution du liquide à refroidir par les poussières présentes dans l'air de refroidissement. De même, ils évitent la pollution de l'air lorsque le liquide à refroidir présente des risques chimiques ou bactériologiques. Un autre avantage de cette construction est qu'elle permet de refroidir des fluides à haute pression. Par contre, ces échangeurs sont assez sensibles au gel.

Les tuyauteries handicapent cependant ce type d’échangeur, à la fois à cause de leur coût et de leur rôle d'écran thermique. Pour améliorer l'efficacité de ces échangeurs, on leur ajoute parfois des systèmes d'arrosage des tuyauteries, dont l'évaporation permet de refroidir jusqu'à la température du thermomètre mouillé.

Échangeurs ouverts[modifier | modifier le code]

L'eau chaude (dont la température dépend des équipements à refroidir, généralement 25 à -40 °C) est pulvérisée vers le haut de la TAR.

L'air induit naturellement par tirage, ou mécaniquement par une ventilation, permet de refroidir l'eau par évaporation. La surface de l'échange air/eau est augmentée par la présence de structures, les « clayettes » ou le « packing », généralement en forme de nids d'abeilles. L'air rejeté par la tour est chargé de vapeur d'eau due à l'évaporation (panache), et de fines gouttelettes d'eau. L'eau refroidie (entre 5 et 10 °C de moins que la température de l'eau chaude) est récupérée dans un bassin avant d'être pompée vers les équipements à refroidir.

Cette eau tombe par gravitation à l'intérieur d'un flux d'air frais remontant dans la tour. Cette circulation d'air permet de refroidir l'eau par vaporisation d'une partie de l'eau pulvérisée.

À l'intérieur d'une tour aéroréfrigérante, l'eau à refroidir est pulvérisée en fines gouttelettes au niveau des rampes de distribution. L'eau s'écoule sur une surface d'échange, les clayettes, qui, de par leur structure, fractionnent les gouttes d'eau et augmentent leur temps de séjour. L'eau refroidie est collectée dans un bassin de rétention en bas de la tour avant de retourner vers l'échangeur ou le procédé à refroidir. L'air est, quant à lui, mis en mouvement par un ventilateur (tirage forcé) ou par un courant d'air (tirage naturel). Ce flux d'air se charge en humidité et entraîne les gouttelettes d'eau. Un séparateur de gouttelettes est parfois placé en haut de la tour afin de limiter le plus possible l'entraînement des gouttelettes en dehors de la tour.

L'eau tombe dans un bassin d'eaux froides (on rencontre aussi le terme « eaux tièdes ») où elle est récupérée et renvoyée vers l'installation à refroidir.

Suivant les vitesses d'éjection de l'air, la conception géométrique de la tour, l'efficacité des pare-gouttelettes, … les aérosols produits peuvent être en quantité plus ou moins grande dans l'air rejeté.

Afin de compenser la perte d'eau occasionnée par l'évaporation, un appoint en eau traitée permet de garder un niveau constant dans la nappe ou le bac de la tour.

Température de bulbe humide[modifier | modifier le code]

La vaporisation de l'eau absorbant de la chaleur, la pulvérisation dans un air sec contribue à l'efficacité globale de l'aéroréfrigérant (la valeur du refroidissement induit par l'évaporation dépendant directement de l'hygrométrie de l'air aspiré par la tour). Grâce à ce phénomène, il est possible de refroidir l'eau jusqu'à une température inférieure à la température ambiante.

Risques liés aux circuits ouverts[modifier | modifier le code]

Des gouttelettes peuvent transporter des micro-organismes ayant proliféré dans la TAR, dont les Legionella. En effet, une TAR à voie humide présente des caractéristiques favorables à la prolifération puis à la dissémination par les aérosols des Legionella dans l'atmosphère. Il est donc nécessaire de mettre en place dans ces TAR des moyens de contrôle et des moyens préventifs efficaces afin de maîtriser le risque de dissémination des Legionella. En cas de contamination, il convient de mettre en place des actions de nettoyage et de désinfection. D'après la norme AFNOR NF T90-431, le niveau d'alerte est de 1 000 UFC/l. Au-dessus de 100 000 UFC/l, les installations doivent être immédiatement arrêtées, puis nettoyées et désinfectées. Une déclaration est envoyée aux autorités compétentes (DREAL, Préfecture). Des dérogations peuvent être accordées par le Préfet, pour les installations qui ne peuvent être arrêtées sans risque comme les hôpitaux ou certaines industries (industries du verre, de l'incinération d'ordures ménagères, de la chimie, etc.).

Une tour aéroréfrigérante à voie humide présente des caractéristiques favorables à la prolifération puis à la dissémination par les aérosols des légionelles dans l’atmosphère. Le milieu humide et chaud de ces installations offre des conditions idéales pour le développement de ces bactéries dans l'eau du circuit et la circulation d'air peut alors entraîner vers le milieu extérieur des gouttelettes qui contiennent des légionelles. Les gouttelettes très fines peuvent pénétrer dans l'appareil respiratoire et provoquer chez des personnes sensibles une infection appelée légionellose.

Il est donc nécessaire de mettre en place dans ces tours aéroréfrigérantes des moyens de contrôle et des moyens préventifs efficaces afin de maîtriser le risque de dissémination des Legionella. En cas de contamination, il convient de mettre en place des actions de nettoyage et de désinfection. D'après la norme AFNOR NF T90-431, le niveau d'alerte est de 10 000 UFC/l.

Des produits chlorés biocides de type Eau de Javel peuvent être utilisés pour désinfecter l'eau, mais en étant source d'une légère pollution chlorée, et au risque de finir par développer des souches microbiennes résistantes à ces désinfectants.

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • (fr) Les TAR sur le site du ministère français du Développement Durable.

Notes et références[modifier | modifier le code]