réfrigérant atmospherique.pdf

Réfrigérants atmosphériques

par Pierre LEMOINE Ingénieur de l’École Breguet Chef du Service Technique des Sources Froides des Établissements SCAM-Alsthom

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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.

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RÉFRIGÉRANTS ATMOSPHÉRIQUES ________________________________________________________________________________________________________

1. Principe de refroidissement Nous rappellerons ci-dessous les éléments de base entrant dans le calcul du dimensionnement d’un réfrigérant industriel. 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 refroidissement 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 caractéristiques du réfrigérant : dimensions, surface d’échange, débit d’air. Calcul aérodynamique La perte de charge globale ∆p de l’air au passage dans le réfrigérant est la somme des pertes de charge singulières : 

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 m 3 /h) et sont réalisés à la demande pour le haut de gamme (500 à 50 000 m 3 /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 transport 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.

∆p = ∆p 1 + ∆p 2 + ∆p 3 + ∆p 4 + ∆p 5

avec ∆p 1 perte de charge à l’entrée d’air, ∆p 2 perte de charge dans les zones d’échange, ∆p 3 perte de charge au niveau de la distribution d’eau, ∆p 4 perte de charge au séparateur de gouttes, ∆p 5 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 m 3 /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 différents éléments livrés démontés. La gamme des débits d’eau correspondants s’étend de 50 à 100 m 3 /h pour les plus petits modèles, à 50 000 m 3 /h pour les

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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 principalement 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

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 horizontalement. Elle est donc croisée avec celle de la pluie qui tombe verticalement. 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.

Figure 1 – Surface d’échange à film : différents types

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 thermoformage 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 au feu doit être excellente, ce qui exclut impérativement toute utilisation de polystyrène ou de polypropylène ; le PVC est le meilleur matériau mais il doit comporter des additifs antifeu et anti-ultraviolets, ainsi que des stabilisants ; — l’espacement entre les feuilles doit être suffisant pour limiter les risques de bouchage en fonctionnement (ne pas descendre au-dessous de 20 mm, ou 15 mm pour de l’eau non chargée, entre les feuilles) ; — la rigidité du packing doit être suffisante pour assurer sa tenue mécanique correcte pendant toute la vie de l'appareil ; — la nature du matériau doit être compatible avec la température d’eau chaude : en règle générale, la température d’eau chaude est inférieure à la température de ramollissement Vicat du PVC moins 20 oC ; des PVC spéciaux permettent de fonctionner avec des eaux atteignant 70 oC, les PVC classiques devant se limiter à 50-55 oC. 3.1.3.3 Surface d’échange à gouttes

Ce système, moins utilisé en Europe, est réservé en priorité aux eaux de circulation chargées, entartrantes ou à haute température.


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L’eau s’écoule en chute libre dans le réfrigérant, l’air pouvant circuler à contre-courant ou à courants croisés. Elle est arrêtée périodiquement par des éléments horizontaux destinés à freiner sa chute et à la faire éclater en fines gouttelettes (figure 2). Contrairement à la solution à film, la surface d’échange est constituée par la surface des gouttes d’eau. Ce système est également appelé splash. La hauteur de la zone d’échange est supérieure à celle du système à film (3 à 12 m) et la perte de charge interne légèrement plus élevée, ce qui conduit à des constructions plus volumineuses (figure 3). Le gros avantage de ce système est d’être très peu sensible à l’encrassement en présence d’eaux chargées, l’espacement entre éléments étant d’au moins 5 cm dans le plan horizontal et d’au moins 15 cm dans le plan vertical. Il est recommandé pour les appareils destinés à la sidérurgie, aux sucreries et, en général, quand le titre alcalimétrique complet (TAC) de l’eau dépasse 25 à 30 degrés français. Les surfaces d’éclatement sont réalisées en bois traité, en amiante-ciment ou en plastique. Dans ce dernier cas, on emploie du PVC (lattes extrudées) ou plus souvent du polypropylène, les risques dus au feu étant plus faibles (clayettes moulées). La nature du matériau est fonction des conditions d’utilisation (température, nature de l’eau). Le polypropylène admet une température d’eau chaude de 75 oC alors qu’il ne faut pas dépasser 55 oC avec le PVC. Pour des températures plus élevées, le bois traité constitue une solution acceptable. 3.1.4 Ventilation

Les groupes de ventilation peuvent être du type soufflant ou du type aspirant.

Figure 3 – Réfrigérants industriels à ventilateurs aspirants, avec une enveloppe en plastique et une charpente en bois

3.1.4.1 Ventilateurs soufflants

Le groupe moto-ventilateur à axe horizontal monté en virole métallique ou polyester est placé en partie basse du réfrigérant sur une des faces de l’enveloppe (figure 4). Cette solution est limitée aux réfrigérants ne demandant que des hélices de petit ou moyen diamètre (3 m au maximum).

Figure 2 – Surface d’échange à gouttes Figure 4 – Réfrigérant à ventilateur soufflant

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Le ventilateur est placé soit directement en bout d’arbre du moteur pour les hélices de petit diamètre (jusqu’à 1,80 m), soit sur l’arbre lent d’un moto-réducteur à axe horizontal ou sur un arbre porté par deux paliers, la transmission moteur-hélice étant alors réalisée par des poulies et courroies trapézoïdales. Avantages de ce système : — la construction est simple ; — les éléments mécaniques sont directement accessibles pour l'entretien ; — le système est obligatoire quand l’eau de circulation dégage des vapeurs corrosives car les éléments mécaniques sont situés dans une zone sèche. Inconvénients : — il est réservé aux petites et moyennes unités (jusqu'à 500 m3 /h) ; — le rendement est légèrement plus faible que dans le cas des ventilateurs aspirants, la répartition d'air interne étant moins uniforme ; — il y a un rejet de l'air de sortie à faible hauteur et faible vitesse favorisant le phénomène de recirculation (réaspiration de l'air chaud et humide sortant de la tour par le moto-ventilateur) ; il en résulte alors une forte remontée de la température d’eau refroidie. 3.1.4.2 Ventilateurs aspirants

Le ventilateur est placé au-dessus des surfaces d’échange à l’intérieur d’une virole en bois traité, en tôle d’acier protégée, en polyester armé ou en béton. L’entrée d’air se fait en partie basse de l’enveloppe par des ouvertures placées sur 2 ou 4 faces de la cellule. L’air traverse ensuite les surfaces d’échange et est aspiré en partie haute par le ventilateur (figure 5). Le diamètre des ventilateurs varie de 2 à 12,50 m selon le débit nécessaire au refroidissement.

Avantages de ce système : — il est bien adapté aux unités de débits moyens et importants (à partir de 100 m 3 /h) ; — le nombre de ventilateurs est limité, même dans les grosses unités ; — la répartition de l'air interne est optimale, d'où un bon rendement global ; — il y a un rejet d’air de sortie à forte vitesse (environ 10 m/s) favorisant son évacuation dans l'atmosphère et limitant les risques de recyclage. Inconvénients : — il est mal adapté aux eaux agressives ou corrosives (eaux fluorées par exemple), car elles peuvent atteindre le groupe de ventilation malgré le séparateur de gouttes ; — ce système nécessite des groupes de ventilation plus complexes et moins accessibles : attention aux systèmes de transmission moteur-ventilateur par courroies trapézoïdales dans l'air humide et chaud ; on observe très souvent des glissements importants et une usure rapide des courroies si la transmission n'est pas prévue pour une puissance au moins double de la puissance nominale. 3.1.5 Réfrigérant industriel classique

En tenant compte des observations des paragraphes 3.1.1, 3.1.2, 3.1.3 et 3.1.4, on en déduit que le réfrigérant industriel classique est réalisé selon le schéma ci-dessous : — réfrigérant à tirage mécanique ; — circulations d’air et d’eau à contre-courant ; — surface d’échange à film ou à gouttes selon la nature de l'eau ; — circulation d’air assurée par un ventilateur aspirant pour les solutions classiques et par un ventilateur soufflant pour certains cas particuliers.

3.2 Construction d’un réfrigérant industriel 3.2.1 Circuit d’eau

Figure 5 – Réfrigérant à ventilateur aspirant

Le réfrigérant industriel constitue l’un des maillons de la chaîne de refroidissement d’une installation, les autres maillons étant la ou les pompes de circulation, les tuyauteries et l’appareil à refroidir. On distingue : — le circuit fermé normal (figure 6a ), où l'eau reprise dans le bassin d’eau refroidie par une pompe est poussée à travers l’installation à refroidir et renvoyée ensuite en partie haute du réfrigérant ; — le circuit semi-fermé (figure 6b ), où l’eau, reprise également dans le bassin d’eau refroidie par une pompe et arrivant à l’appareil à refroidir (cuve, four, etc.), subit une mise à l'air libre ; il faut alors la reprendre par une deuxième pompe pour assurer son retour en partie haute du réfrigérant. Il faut faire très attention à ce dernier type de circuit car les deux pompes placées en série n’ont jamais un débit identique et, sans précautions spéciales, l’un des circuits sera rapidement en manque d’eau. Un déversement d’un circuit dans l’autre (A → B) permet de pallier ce défaut et d’assurer une marche normale. En règle générale, la pompe de renvoi d’eau chaude doit avoir un débit légèrement plus fort (quelques pour-cent) que celui de la pompe d’eau refroidie afin que le déversement de bassin à bassin se fasse dans le sens froid vers chaud.


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3.2.3 Enveloppe et toiture

Plusieurs systèmes sont employés pour l’exécution de l’enveloppe et de la toiture des réfrigérants industriels. 3.2.3.1 Enveloppe en béton armé

Elle se rencontre principalement dans les tours de capacité importante (à partir de 1 000 m 3 /h), son prix de revient étant plus important que celui des autres solutions. Si l’exécution du béton est correcte et la protection contre le ruissellement de l’eau bien réalisée, la durée de vie est très grande (plusieurs dizaines d’années). Ceci n’est cependant pas, paradoxalement, un point très important car l’expérience montre qu’au bout d’une période de 10 à 15 ans les besoins changent dans une entreprise et que le problème de refroidissement doit être entièrement revu. Une exécution en béton fige tous les paramètres (encombrement au sol, hauteurs des entrées d’air, de l’arrivée d’eau et de toiture, diamètre du ventilateur, etc.) et il est très difficile d’apporter une amélioration intéressante. Cette construction doit donc être réservée aux installations à caractéristiques immuables (petites centrales électriques, par exemple). 3.2.3.2 Charpente en béton armé avec l’enveloppe et la toiture en matériau léger (polyester armé ou bois)

Cette solution, légèrement moins onéreuse que la précédente, présente le même défaut tout en n’ayant pas les mêmes qualités de tenue dans le temps. 3.2.3.3 Charpente métallique avec l’enveloppe en plastique (ou en amiante-ciment)

Figure 6 – Circuit d’eau : source à refroidir avec ou sans mise à l’air de l’eau de refroidissement

3.2.2 Bassin d’eau refroidie

Le bassin de réception d’eau refroidie placé sous le réfrigérant est pratiquement toujours réalisé en béton armé. Il doit avoir une capacité suffisante pour que, lors du démarrage de la pompe, le remplissage des tuyauteries ne fasse pas tomber son niveau à une valeur trop faible pouvant provoquer une introduction d’air dans la tuyauterie de reprise. Le niveau d’eau dans ce bassin est réglé par un trop-plein relié à l’égout. Ce niveau se situe normalement à au moins 0,25 m en dessous de la margelle pour éviter toute sortie d’eau. Le bassin doit être réalisé avec soin et les problèmes d’étanchéité sont toujours délicats à résoudre. L’addition d’un produit hydrofuge est recommandée dans le béton et l’étanchéité sera parfaite par un enduit de mortier, ou mieux par une peinture bitumineuse ou braiépoxydique passée après séchage du béton. Des points d’appuis ( potelets ou poutres) servent à supporter les éléments intérieurs ainsi que l’enveloppe, si celle-ci n’est pas en béton. Dans ce dernier cas, la liaison avec la charpente se fait au moyen de tiges d’ancrage scellées au mortier ou avec des boulons fixés à la résine. Des chevilles autoforeuses peuvent également être utilisées.

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On rencontre couramment ce type de construction dans les gammes de débit moyen (jusqu’à 1 000 m 3 /h). La charpente est composée d’éléments métalliques modulaires en acier galvanisé (80 µm) assemblés entre eux par boulonnage (figure 7). L’enveloppe, la toiture et la cheminée de ventilation sont le plus souvent en polyester armé de fibres de verre dont la tenue mécanique est bonne. Le polyester armé de l’enveloppe est parfois remplacé par du PVC ininflammable. Ces appareils sont plus esthétiques que ceux en béton, en raison de l’aspect agréable de l’enveloppe en plastique coloré. Ils sont facilement démontables et leur remplacement à terme par un autre type est parfaitement réalisable. 3.2.3.4 Charpente en bois traité avec l’enveloppe en plastique

La majorité des réfrigérants de débit supérieur à 1 000 m 3 /h est construite de cette manière (figure 3). La charpente en résineux de montagne (sapin, épicéa, mélèze) comprend un ensemble de poteaux, poutres, contreventements de forte section (de 100 mm × 100 mm à 150 mm × 150 mm) assemblés par des plats et boulons en acier galvanisé à chaud ou en acier inoxydable en cas d’eaux agressives (les boulons cadmiésbichromatés du commerce sont à rejeter du fait de leur mauvaise tenue en milieu chaud, humide et aéré). Une excellente solution consiste à passer sur toute la boulonnerie, après serrage, deux couches de peinture bitumineuse qui l’isolent de l’air et de l’eau. Les bois de charpente peuvent être traités au moyen de produits fongicides et insecticides pour les protéger contre les attaques de champignons ou d’insectes. Ces traitements se font par trempage ou par injection sous vide et pression , ce dernier étant plus efficace mais plus onéreux. Il faut toutefois savoir que leur efficacité n’est pas totale en raison du délavage continuel des bois, mais leur emploi est cependant fortement recommandé.



La toiture de ces réfrigérants est le plus souvent en bois (parquet ou contreplaqué) et la cheminée de ventilation en polyester armé de fibres de verre. 3.2.4 Surface d’échange

Nous avons vu au paragraphe 3.1.3 les deux types de surfaces d’échange (à gouttes et à film), ainsi que les matériaux utilisés habituellement. Il existe cependant d’autres possibilités (pulvérisation, par exemple) applicables dans des cas spéciaux. 3.2.4.1 Surface d’échange en bois traité

Le bois employé est le même que celui destiné à la charpente, mais les sections sont plus faibles. Les utilisations principales concernent : — les eaux très chaudes (à partir de 70 oC), pour lesquelles le plastique présente des risques de tenue (fluage) ; — les eaux agressives (particulièrement, les eaux acides ou fluorées) ; dans ce cas, l’assemblage se fait obligatoirement par pointes et boulons en acier inoxydable 18-10 au molybdène ; — les eaux très chargées (poussières ou boues) ou entartrantes ; la résistance mécanique du bois étant très bonne, les lattes peuvent accepter sans casse des surcharges importantes ; — les appareils destinés à l’exportation, le remplacement éventuel de pièces en bois par l’utilisateur posant moins de problèmes que celui de pièces plastiques spécifiques. 3.2.4.2 Surface d’échange en amiante-ciment

Ces surfaces à film (plaques verticales parallèles) ou à gouttes (lattes incurvées provenant de la découpe de plaques ondulées) se rencontrent encore quelquefois chez certains utilisateurs qui ne désirent pas avoir d’éléments plastiques. Leur tenue dans le temps est bonne, mais elles craignent les eaux acides et certaines eaux chargées.

3.2.5 Distribution d’eau chaude 3.2.5.1 Distribution sous pression

Dans cette distribution, l’eau à refroidir est répartie dans un certain nombre de tuyauteries parallèles au-dessus de la dispersion. Le pas de ces tuyauteries varie de 0,60 à 1,25 m. Des ajutages fixés sur leur génératrice inférieure dirigent l’eau sur des coupelles qui la pulvérisent et la répartissent au-dessus des surfaces d’échange (figure 8). Les tuyauteries peuvent être en acier peint ou galvanisé, en amiante-ciment, en polyester armé, ou en PVC. Les ajutages de pulvérisation doivent avoir un diamètre intérieur suffisant pour ne pas se boucher, 20 mm au minimum. Leur démontage et leur remontage doivent pouvoir s’effectuer rapidement. Le système sous pression assure une bonne pulvérisation de l’eau, mais au prix d’une puissance de pompage non négligeable. Le constructeur indiquera toujours la pression de service, celle-ci devant être au maximum de 0,2 bar (2 mCE). Les tuyaux sont assez difficiles à nettoyer et le débit d’eau doit peu varier pour garder une bonne homogénéité de la répartition (au mieux ± 20 % du débit nominal). 3.2.5.2 Distribution sans pression

L’eau arrivant en partie haute du réfrigérant se déverse dans une auge ouverte d’où elle est répartie dans des rigoles secondaires également ouvertes. La circulation se fait par gravité sous faible charge : 0,05 bar (0,5 mCE). Des ajutages, de diamètre plus important que dans une arrivée sous pression (25 à 60 mm), dirigent l’eau sur des coupelles de rejaillissement d’où elle s’écoule sur les surfaces d’échange (figure 9). Ce dispositif est particulièrement adapté aux systèmes d’échange à gouttes dans lesquels on peut accepter une répartition plus grossière que dans les systèmes à film. Les avantages principaux sont : — un nettoyage particulièrement facile, les rigoles étant ouvertes et les ajutages accessibles sans démontage ; — la possibilité d'accepter des plages de débit importantes en maintenant une bonne répartition par un système automatique d'ajutages à plusieurs niveaux (de 40 % à 120 % du débit nominal) ; — l'adaptation très rapide du circuit en cas de variation permanente du volume d’eau à refroidir.

Figure 8 – Distribution d’eau par tuyauterie sous pression Figure 7 – Réfrigérant monobloc à ventilateur aspirant avec une charpente et une enveloppe en acier galvanisé


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Il faut toutefois savoir que l’ambiance dans la zone de ventilation est humide (ventilateurs soufflants) ou très humide (ventilateurs aspirants) et que les risques de glissement des courroies sont importants. La règle suivante constitue un minimum pour le choix de la transmission à courroies : — ventilateur soufflant : puissance de calcul = 1,5 fois la puissance moteur — ventilateur aspirant : puissance de calcul = 2 fois la puissance moteur Figure 9 – Distribution d’eau par auge et rigoles (sans pression)

L’auge principale et les rigoles secondaires peuvent être construites en béton, en acier protégé par galvanisation ou peinture, ou en bois traité. Les ajutages sont en PVC, en polypropylène ou en acier inoxydable. 3.2.6 Séparateur de gouttes

Le séparateur de gouttes placé au-dessus de la dispersion est une chicane permettant de retenir les gouttes d’eau contenues dans l’air chaud sortant du réfrigérant. Son pouvoir de séparation doit être supérieur à 0,1 % du débit d’eau en circulation dans les réfrigérants industriels. Son rôle est particulièrement important et une mauvaise séparation peut entraîner les inconvénients suivants : — une perte d’eau importante devant être compensée par un appoint supplémentaire ; — une érosion très rapide des pales des ventilateurs dans le cas de ventilateurs aspirants entraînant leur indisponibilité en quelques semaines ou quelques mois ; — une dispersion d’eau importante autour du réfrigérant avec des risques de corrosion des charpentes et objets métalliques, de formation de verglas en hiver, ou de pollution de l'environnement. 3.2.7 Circulation d’air 3.2.7.1 Ventilateur

Il est du type hélicoïde et comprend : — un moyeu porte-pales avec une bride de fixation sur l'organe moteur ; — des pales profilées exécutées en aluminium, en acier protégé ou en polyester armé de fibres de verre ; la nature des pales est à étudier en fonction de l’environnement (en particulier, l’aluminium est à éviter en atmosphère saline) ; les pales, dans la majorité des constructions, ont un réglage de l'angle d'attaque permettant d'adapter les caractéristiques de l’hélice à celles du circuit d'air ; — parfois un faux moyeu rapporté en tôle ou en polyester pour éliminer les risques de circulation inverse de l’air en partie centrale.

La réduction de vitesse par réducteur monobloc à arbres parallèles ou perpendiculaires est une bonne solution, et la seule valable pour des puissances supérieures à 40 kW. Le système à trains épicycloïdaux a souvent donné des mécomptes, en particulier au niveau de la lubrification interne, et n’est pas recommandé. Avec les réducteurs à arbres parallèles, le moteur se trouve, dans les ventilateurs aspirants, dans l’air chaud et humide. Certains utilisateurs préfèrent avoir le moteur à l’extérieur de la tour ; le réducteur est alors à arbres perpendiculaires et un arbre de liaison assure la transmission moteur-réducteur (figure 5). Cet arbre doit être très soigneusement équilibré pour ne pas vibrer et parfaitement protégé contre la corrosion. Pour faciliter l’entretien du réducteur, il est conseillé de prévoir un ensemble de tuyauteries reportant à l’extérieur du réfrigérant les organes suivants : — le niveau d'huile ; — la vidange et le remplissage du carter (contrôler parfaitement l'étanchéité de la conduite pour que le réducteur ne se vide pas) ; — le graissage des roulements ; — la mise à l’air libre du carter. 3.2.7.3 Moteur électrique

Il doit toujours avoir, en raison de sa position, une protection renforcée contre l’eau et les poussières. Le minimum est un degré de protection de IP 55 (norme NF C 20-010). Si le moteur se trouve dans la veine d’air chaud et humide, il doit comporter impérativement en plus : — un traitement spécial des enroulements ; — un trou de purge en partie basse ; — une alimentation électrique par câbles sortis, la boîte de connexion se trouvant à l’extérieur de la tour. Le moteur tourne normalement à 1 500 tr/min ; on peut toutefois le prévoir à deux vitesses (1 500 et 750 ou 1 500 et 1 000 tr/min) afin de pouvoir adapter le refroidissement en fonction des caractéristiques thermiques ou de la marche en hiver. 3.2.8 Accessoires

Les principaux éléments constitutifs ont été indiqués précédemment. Le réfrigérant industriel peut recevoir d’autres accessoires destinés à faciliter sa conduite.

3.2.7.2 Réduction de vitesse

3.2.8.1 Régulation de niveau

Mis à part les ventilateurs de faible diamètre (inférieur à 2 m), il faut prévoir un organe de réduction de vitesse entre le moteur et le ventilateur. Pour de faibles puissances (inférieures à 40 kW), l’emploi d’un système de poulies-courroies trapézoïdales peut être envisagé, particulièrement avec les ventilateurs soufflants.

La perte en eau par évaporation ainsi que la purge continue doivent être compensés par une arrivée d’eau d’appoint dans le bassin d’eau refroidie. Il est conseillé de réguler cette arrivée par un robinet flotteur.

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3.2.8.2 Purge

Il est conseillé d’effectuer une purge continue du circuit pour ne pas avoir, à la longue, une concentration anormale en sels. La valeur de cette purge est fonction de la qualité de l’eau d’appoint. Une formule empirique souvent employée donne la quantité d’eau à éliminer : TH p q v 125 TH =

–

avec p (m3 /h) purge, q v (m3 /h) débit-volume d’eau évaporée, TH dureté de l’eau d’appoint (titre hydrotimétrique). 3.2.8.3 Régulation de température

Si l’on veut obtenir une eau refroidie à température relativement constante en fonction de la température d’air extérieur ou de la chaleur éliminée, on peut placer une sonde dans la sortie d’eau. Cette sonde pilotera : — soit une vanne trois voies assurant un mélange eau chaudeeau refroidie en proportion variable ; — soit le ventilateur lui-même (marche par tout ou rien) ; attention toutefois, dans ce cas, à ne pas dépasser 10 démarrages par heure ce qui provoquerait un échauffement anormal du moteur ; — soit le moteur à deux vitesses ; dans ce cas, ne jamais passer directement d'une grande à une petite vitesse , le freinage brutal étant préjudiciable aux parties tournantes ; la séquence normale est : grande vitesse → arrêt → petite vitesse ; par contre, il n'y a pas de risque à passer directement d'une petite à une grande vitesse. 3.2.8.4 Antigel

Si le réfrigérant est arrêté pendant plusieurs jours consécutifs en hiver, il est recommandé de vider le bassin pour ne pas détériorer le béton sous la poussée de la glace. On peut également prévoir sur la périphérie du bassin des résistances chauffantes pilotées par thermostat. La puissance nécessaire est de 1 à 2 kW par mètre de longueur du bassin. 3.2.8.5 Persiennes

Lorsque le réfrigérant à ventilateur aspirant est implanté dans un site exposé au vent, il est recommandé de munir les entrées d’air de persiennes inclinées à 45 o pour limiter les sorties d’eau en partie basse (figure 7). Ces persiennes peuvent être rajoutées après coup si le besoin s’en fait sentir. Dans les sites très exposés (dans le cas du mistral, par exemple), une paroi intérieure centrale améliore la protection. 3.2.8.6 Détecteur de vibrations

On peut monter sur les groupes moto-ventilateurs des détecteurs destinés à arrêter le moteur en cas de vibrations anormales. Ces éléments, bien que recommandés particulièrement pour les réfrigérants à charpente légère (bois ou métal), sont, dans la pratique, peu efficaces car leur réglage et leur entretien sont relativement difficiles. Ils réagissent parfois inopinément aux coups de vent importants et provoquent alors des arrêts intempestifs. 3.2.8.7 Antidévireur

Lorsque les réfrigérants comportent plusieurs cellules, il est conseillé de munir les réducteurs d’un système antidévireur. Ce système est destiné à éviter que les hélices ne tournent en sens contraire à l’arrêt du moteur sous l’action du vent ou des ventilateurs des cellules adjacentes restant en service.

4. Achat d’un réfrigérant industriel 4.1 Besoins Bien que ceci semble évident, il est impératif de rappeler que le réfrigérant industriel doit répondre aux besoins de l'exploitant , besoins constitués par l’élimination d’une quantité de chaleur donnée. Le premier point est donc de cerner au plus près ces besoins et de bien connaître les caractéristiques de l’installation à refroidir, c’est-à-dire : — la quantité de chaleur horaire à éliminer Q (en J/h) ; — le débit-volume d’eau q v (en m3 /h) ; — l'abaissement de température de cette eau ∆T (en oC), en se rappelant que : Q = 4,18 × 106 q v ∆T

(ou Q = q v ∆T avec Q en th/h et q v en m3 /h). Si l’on sous-estime les valeurs de calcul, le réfrigérant sera trop petit et ne remplira pas son rôle. Si on les surestime, on fera l’acquisition d’un appareil trop coûteux en prix d’achat et en frais d’exploitation. Examinons les paramètres principaux dont l’influence sur le dimensionnement sera étudiée au paragraphe 4.5. 4.1.1 Débit-volume d’eau

Le débit-volume d’eau à refroidir est défini en général par l’appareil desservi (échangeur par exemple) et est connu avec une bonne précision. Il est donc inutile de le surestimer car le système de distribution d’eau du réfrigérant doit être conçu pour le débitvolume exact de la pompe. 4.1.2 Abaissement de température (ou écart)

Il se déduit de la quantité de chaleur à éliminer ( ∆T = Q / q v ). Si les conditions de fonctionnement ne sont pas connues exactement, il peut être prudent de prendre une marge de 10 à 20 % sur sa valeur moyenne. 4.1.3 Température d’eau refroidie

Ce point est de loin le plus important car il conditionne en grande partie le dimensionnement du réfrigérant. Il faut toujours se rappeler que l’ eau froide coûte cher . Les questions à se poser sont donc : — quelle doit être la température d’eau refroidie la plus élevée compatible avec le bon fonctionnement de l’installation ? ; — pour quelles conditions atmosphériques doit-on obtenir cette température d’eau refroidie ? ; — est-il possible d’accepter pendant un temps limité un léger dépassement ? La réponse à ces questions permet de fixer l’ approche, c’est-à-dire la différence de température entre l’eau refroidie et l’air humide ; c’est elle qui fixe en priorité le dimensionnement.


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Il importe donc de bien déterminer la température humide de l'air de référence pour laquelle sera fixée l’approche. Cette température choisie peut être : — la température maximale enregistrée dans la région pendant les 5 ou 10 dernières années ; ce cas est rare et correspond à la nécessité d’obtenir en toutes circonstances une température d’eau refroidie ne dépassant pas un seuil donné ; — la température moyenne des mois d’été qui n’est dépassée que quelques jours par an (d'environ 5 %) ; celle-ci est adoptée par la majorité des industries ; — la température moyenne de l’année ; cette option est adoptée par les centrales électriques, par exemple, où seul le rendement est affecté, en plus ou en moins, par les variations de température d’eau refroidie ; — la température moyenne pendant la période de fonctionnement ; les sucreries entrent dans cette catégorie (marche en automne et hiver) ainsi que les installations de conditionnement d’air (marche en été). Ces diverses valeurs de température humide de l’air sont fournies par les stations régionales de la Météorologie nationale. Le constructeur de réfrigérant possède de son côté des recueils de statistiques lui permettant de conseiller son client. Le tableau 1 donne quelques valeurs de température humide de l’air rencontrées dans les principales villes de France. (0)

Tableau 1 – Température humide de l’air en France (en oC)

Maximale Moyenne (1) d’été

Villes

Valenciennes........................... Reims....................................... Paris......................................... Strasbourg .............................. Brest ........................................ Rennes..................................... Tours ....................................... Dijon ........................................ Clermont-Ferrand ................... Lyon......................................... Bordeaux................................. Toulouse ................................. Marseille.................................. Ajaccio.....................................

22,5 23 24 23 20 23 24,5 22,5 24 24 23 24 23,5 25

16,5 17,5 17,5 18 16 17 17,5 18,5 19 18 18,5 18,5 20 21

Moyenne annuelle

10 10 10,5 10 11 11 11 10 11 10,5 12 12,5 13,5 15

(1) Moyenne de températures maximales annuelles pendant 10 ans.

Lors d’un appel d’offre, les renseignements à fournir au constructeur de réfrigérant sont nombreux : caractéristiques thermiques, type de réfrigérant, de construction, etc. Le tableau 2 résume l’ensemble des données à fournir.

4.2 Réfrigérant optimal Le réfrigérant optimal est celui répondant parfaitement aux besoins, et ceci au meilleur coût, tant d’achat que d’entretien. C’est donc un compromis entre diverses solutions possibles. Le paragraphe 3 a déjà présenté, avec leurs avantages et inconvénients, les réalisations possibles, les matériaux de construction, la nature des surfaces d’échange et le type de ventilation. Nous pouvons ajouter certains conseils. (0)

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Tableau 2 – Projet d’appel d’offres pour la construction d’un réfrigérant atmosphérique industriel Caractéristiques thermiques : — Débit-volume d’eau nominal........................................... m 3 /h — Abaissement de température.......................................... oC — Température d’eau refroidie............................................ oC — Température humide de l’air........................................... oC Type de réfrigérant : — Nombre de cellules souhaité........................................... — Ventilateur aspirant/soufflant........................... — Moteur 1 vitesse /2 vitesses ........................ — Surface d’échange à film/à gouttes Construction : — Normale............................................................................. — Spéciale : — enveloppe............................................... — bassin de reprise d’eau refroidie.......... — charpente................................................ — bardage................................................... Renseignements divers : — Place disponible................................................................ m × m — Hauteurs maximales : — pompage ............................... bar — construction.......................... m — Bruit limité à.....................dBA à .....................m de l’entrée d’air. — Accessoires à fournir : persiennes, régulation de niveau, thermostat, etc.

4.2.1 Enveloppe

La solution de base (§ 3.2.3) correspond à une enveloppe en polyester armé, fixée sur une charpente métallique (débits moyens) ou sur une charpente en bois traité (débits moyens et importants). Toutefois : — le polyester armé peut présenter des risques d’incendie et doit alors être remplacé par du PVC ou de l’amiante-ciment ; — les eaux acides imposent le PVC sur une charpente en bois ; — les eaux très chaudes ne conviennent pas au PVC. 4.2.2 Surface d’échange

La solution classique (§ 3.1.3 et 3.2.4) est le packing en PVC, avec un système à film. On doit cependant lui préférer : — en cas d’eaux entartrantes ou chargées, la solution à gouttes avec des clayettes en polypropylène ou des lattes en PVC, en bois ou en amiante-ciment ; — pour des eaux très chaudes (plus de 60 oC), la solution à gouttes avec des clayettes en polypropylène si l'on ne dépasse pas 70 oC ou des lattes en bois jusqu’à 90 oC. 4.2.3 Ventilation

La solution normale du groupe moto-réducteur (§ 3.1.4 et 3.2.7) recevant un ventilateur aspirant doit être écartée dans certains cas : — une eau de circulation très agressive ; dans ce cas, il faut adopter un ventilateur soufflant placé ainsi hors d'atteinte des gouttelettes d’eau pouvant traverser le séparateur de gouttes ; — un réfrigérant construit dans des pays mal desservis ; le réducteur est à remplacer par une transmission à courroies très largement dimensionnée dont l'entretien et le réapprovisionnement sont plus simples ;



— des contraintes particulièrement sévères de bruit, principalement sur un réfrigérant de capacité faible ou moyenne, conduisant à l’adoption de ventilateurs soufflants centrifuges.

4.4 Bilan. Prix

4.2.4 Nombre de cellules

La connaissance des consommations d’eau et d’électricité permet seule de faire un bilan réaliste du prix du mètre cube d’eau recyclée.

Pour des conditions données, la solution à une seule cellule est la moins coûteuse à l’achat. Elle n’est toutefois pas toujours la meilleure, car elle manque de souplesse. Un réfrigérant à deux cellules de capacité moitié se montre souvent plus rentable, principalement si l’on ne fonctionne pas toujours à pleine charge. La sécurité est accrue car une panne de ventilation, par exemple, ne condamne pas le refroidissement si le deuxième groupe continue à tourner et l’exploitation peut se poursuivre avec seulement une légère baisse de production ou de rendement. Dans le cas où les cellules ne sont pas indépendantes les unes des autres, il est recommandé de munir les réducteurs d’antidévireurs (§ 3.2.8.7).

4.4.1 Consommation d’eau et d’électricité

La consommation d’eau comprend : — la perte par évaporation, environ de 1 % du débit d’eau recyclée pour un écart de 6 oC entre l'eau chaude et l’eau refroidie ; la perte est proportionnelle à cet écart ; — la purge continue, en moyenne de l'ordre de la perte par évaporation. 

La consommation d’électricité est due : — au ventilateur de tirage du réfrigérant ; pour un appareil moyen, cette consommation est d'environ 0,6 kWh par mètre carré de surface intérieure de réfrigérant ; — à la pompe de circulation ; une valeur approchée est donnée par la formule : q v H P 27 

=

4.3 Implantation du réfrigérant 4.3.1 Situation

Le réfrigérant industriel doit impérativement être construit à l’extérieur dans une zone suffisamment dégagée pour assurer à la fois l’alimentation en air froid en partie basse et l’évacuation d’air chaud en partie haute. L’entrée d’air doit être libre latéralement sur une distance au moins égale à 1,5 fois sa hauteur. Elle ne doit pas être masquée par une construction ou un mur. La proximité de l’utilisation permet de réduire la longueur des tuyauteries. L’accessibilité aux divers postes (distribution d’eau, ventilation) doit être possible dans de bonnes conditions de sécurité.

avec H (bar) hauteur manométrique, q v (m3 /h) débit-volume d’eau, P (kW) puissance absorbée. 4.4.2 Coût moyen. Amortissement

Le réfrigérant industriel est un appareil dont l’amortissement est relativement rapide. Il faut, pour que le bilan soit complet, que tous les paramètres soient bien pris en compte. Un exemple (valable pour 1986) permet de mieux cerner le problème. Exemple d’un utilisateur dont les besoins sont : Débit-volume d’eau......................................................1 000 m 3 /h Refroidissement ..........................................................de 35 à 25 oC Température humide de l’air........................................20 oC Temps d’utilisation dans l’année..................................2 000 h Prix de l’eau industrielle (prix moyen 1986) ....................................................1,5 F/m 3 Prix de l’électricité (prix moyen 1986)..........................1,25 F/ kWh Il existe deux possibilités.

4.3.2 Bruit

Selon son implantation, le réfrigérant peut être normal ou silencieux ; il faut toutefois savoir que ce dernier terme est inexact, la formule à faible bruit étant plus juste. Contrairement à une idée très répandue, le groupe de ventilation n’est pas la seule source de bruit. L’eau tombant dans le bassin émet elle-même des sons importants pouvant atteindre 85 dBA. Un réfrigérant est considéré comme bruyant lorsque le niveau de pression sonore dépasse 85 dBA à 1 m de l’entrée d’air et à mihauteur de cette dernière. Il est silencieux au-dessous de 75 dBA. Le bruit des ventilateurs peut être réduit en adoptant des hélices à pales larges tournant à faible vitesse périphérique. Cette vitesse est de 60 m/s dans les appareils classiques mais elle peut être réduite jusqu’à 40 m/s. Il est en général inutile d’aller plus bas, les bruits du réducteur, du moteur et de l’eau devenant alors prépondérants. Sur demande, le constructeur peut tracer une courbe du niveau de pression sonore du réfrigérant en fonction de la distance entre celui-ci et l’observateur.

-



Marche en circuit ouvert (eau perdue) Volume d’eau annuel : 2 000 h × 1 000 m3 /h = 2 000 0 00 m3. Coût horaire (variable suivant la nature de l'eau et la provenance) : 1 500 F/h. Coût annuel : 3 000 000 F. Frais annexes (entretien, tuyauteries, vannes, etc.) : 200 000 F. Soit un total de 3 200 000 F ou 1 600 F/h.

Cette solution suppose un rejet d’eau à 35 oC ce qui est contraire à la législation (30 oC maximum). 

Marche en circuit fermé (réfrigérant)

Le bilan fait apparaître des frais d’investissement et des frais de fonctionnement. Frais d’investissement : — achat de réfrigérant (appareil livré monté)................... 650 000 F — bassin en béton............................................................ 150 000 F — pompes et tuyauteries .................................................2 50 000 F — raccordements électriques et divers ...........................250 000 F soit un total de


1 300 000 F

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

Frais de fonctionnement (basés sur 2 000 h/an) :

— eau d’appoint (3 % du débit, soit 60 000 m3 /an à 1,50 F) ..............

90 000 F

— électricité : pompes + ventilation (2 000 h × 160 kW à 1,25 F)...................................... 400 000 F — entretien de l’installation (forfait annuel : 10 % prix achat) .............................. 130 000 F — traitement de l’eau d’appoint (forfait annuel) ........................................................... 130 000 F soit un total de

750 000 F ou 375 F/h

Par exemple, à débit et écart constants, un réfrigérant donnant une eau refroidie à 23 oC au lieu de 25 oC pour de l’air humide à 20 oC (approche 3 oC au lieu de 5 oC) aura une surface augmentée de 40 %. Cet exemple montre l’importance de la détermination de l’approche lors de l’achat d’un réfrigérant. Dans le cas de modification de plusieurs paramètres, on a : S ′ S

-

 q q v v  ×  ∆∆T T ′ 1/3 ×  a a ′  2/ 3 ′

=

--

-

-

Quelques exemples d’encombrement de réfrigérants industriels à film et à gouttes, à ventilateur aspirant et pour des débits-vo lumes d’eau de 50, 500 et 3 000 m 3 /h sont donnés dans le tableau 3.

Le gain par heure est de : 1 600 – 375 = 1 225 F

4.6 Mise en service

L’amortissement se fera au bout de : 1 300 000/1 225 ≈ 1 060 h (environ 6 mois) Au-delà, le gain par mois sera de : 2 000 × ( 1 600 12

–

375 )

-

La mise en service d’un réfrigérant s’accompagne d’un certain nombre de vérifications, les principales étant les suivantes pour la circulation d’eau et la circulation d’air.

≈ 200 000 F 4.6.1 Circulation d’eau

Remarque : la circulation en circuit fermé permet un traitement de l’eau protégeant l’installation contre la corrosion et l’entartrage, ce qui ne peut être fait en circuit ouvert.

4.5 Quelques chiffres On veut quelquefois connaître l’influence de certains paramètres sur l’encombrement et le prix d'un réfrigérant industriel lorsque l’on possède déjà l’étude d’un constructeur pour un appareil donné. À condition de ne pas trop s'écarter des conditions initiales , les formules ci-après permettent de prédéterminer la surface intérieure du nouvel appareil avec une précision suffisante. Les différentes variables sont : — le débit-volume d’eau : l'encombrement est proportionnel au débit-volume : ′ q v S ′ q S v -

=

--

avec q v débit-volume primitif, ′ nouveau débit-volume, q v S surface intérieure primitive, S nouvelle surface intérieure ; — l’abaissement de température : ′

S ′ S

-

=

 ∆∆T T ′ 1/3 -

avec ∆T écart primitif, ∆T ′ nouvel écart. Par exemple, à débit et approche constants, un réfrigérant ayant un écart de 15 oC au lieu de 10 oC aura une surface augmentée de 14,5 % ; — l'approche : a 2/3 S ′ a ′ S -

avec a a ′

approche primitive, nouvelle approche.

B 2 481 − 12

=

  -

— Mettre la pompe de circulation d’eau en service, le débitvolume d’eau étant réglé à sa valeur nominale. Il est souhaitable de travailler sans élimination de calories. — Faire le tour du réfrigérant et vérifier qu’il n’y a pas de fuites d’eau au niveau de l’enveloppe, et principalement au droit des entrées d’eau. — S’assurer que la répartition d’eau est correcte en soulevant les éléments de séparateur et en comparant les ajutages en début et fin de conduite. Ils doivent avoir sensiblement le même débit. Une observation de la pluie par les entrées d’air permettra de déceler les zones éventuellement mal alimentées (en l’absence de ventilation, il est normal qu’une certaine quantité d’eau sorte par les entrées d’air, principalement en présence de vent). 4.6.2 Circulation d’air

— Arrêter les pompes pour faire tourner les ventilateurs à sec dans un premier temps. — S’assurer avant la mise en route que le plein d’huile et que le graissage sont faits, que les boulons de fixation sont bien bloqués, que la mise à l’air libre du réducteur est correcte. — Contrôler ensuite le sens de rotation de l’hélice en donnant une impulsion au moteur. Ce contrôle est impératif. Si le réducteur est muni d’un antidévireur, la durée de l’impulsion doit alors être au maximum de 0,5 s pour ne pas endommager le mécanisme si le sens de rotation est mauvais. — Faire tourner le ventilateur pendant quelques secondes jusqu’à ce qu’il atteigne sa vitesse normale. Si aucune vibration anormale n’apparaît, poursuivre la marche pendant au moins une heure. Relever la puissance absorbée en début de marche et après une heure (l’air véhiculé étant de l’air froid, la puissance absorbée du ventilateur aspirant peut être supérieure de 10 à 15 % à la puissance nominale, ceci d’autant plus que le réducteur n’est pas rodé et que l’huile est froide. En cas de dépassement plus important de puissance, le calage des pales devra être modifié). Si tout est en ordre côté eau et côté air, il faut faire fonctionner le réfrigérant avec la pompe et le ventilateur en service. Les sorties d’eau par les entrées d’air doivent alors être négligeables si la vitesse du vent est normale (inférieure à 4 m/s). (0)



Tableau 3 – Quelques exemples d’encombrement de réfrigérants industriels à ventilateur aspirant (1) Surface d’échange

À film

Type

I

II

III

Débit-volume .............................................(m 3 / h) Écart de température .................................... ( oC) Température de l’eau refroidie ....................( oC)

50 5 25 2,5 1,50 2,00 3,00 4,00 1,20

500 10 27 20 5,00 6,25 3,75 5,75 3,70

3 000 15 30 110 12,50 13,75 5,75 8,50 8,50

Puissance absorbée par le ventilateur........(kW) Largeur intérieure A ....................................... (m) Longueur intérieure B .................................... (m) Hauteur de l’arrivée d’eau C.......................... (m) Hauteur de l’enveloppe H .............................. (m) Diamètre du ventilateur ∅ V .......................... (m) Surface d’échange

À gouttes

Type

IV

V

VI

Débit-volume .............................................(m 3 /h) Écart de température .................................... ( oC) Température de l’eau refroidie ....................( oC)

50 5 25 3 2,10 2,10 5,00 6,25 1,40

500 10 27 23 6,60 6,60 6,75 9,00 4,25

3 000 15 30 115 14,40 14,40 9,50 12,30 8,50

Puissance absorbée par le ventilateur........ (kW) Largeur intérieure A ....................................... (m) Longueur intérieure B .................................... (m) Hauteur de l’arrivée d’eau C.......................... (m) Hauteur de l’enveloppe H .............................. (m) Diamètre du ventilateur ∅ V .......................... (m)

(1) Pour tous ces appareils : humidité relative = 63,5 % ; température sèche de l’air = 25 % ; température humide de l’air = 20 oC.

4.7 Réception Les normes d’essai réception des réfrigérants atmosphériques sont les normes AFNOR suivantes : X 10-251 12-74 Essais (classe A) sur site pour tours de grande puissance. X 10-252 12-80 Essais (classe B) sur site simplifiés pour tours de puissance moyenne. X 10-253 12-80 Essais en plate-forme pour réfrigérants sur catalogue (réfrigérants monoblocs). La norme X 10-252 correspond donc directement aux réfrigérants industriels. Son application est toutefois encore relativement lourde et elle peut très souvent être remplacée par un essai simplifié . Cet essai porte essentiellement sur cinq points. — Mécanique : lors de la mise en service du ou des groupes de ventilation, il ne doit pas apparaître de vibrations anormales au niveau du groupe lui-même ainsi qu’au niveau de la charpente. Le taux de vibration admissible, fonction de la vitesse de rotation de l’hélice, est fourni par le constructeur. — Bruit : lorsqu’une garantie a été demandée au constructeur, la mesure se fait à mi-hauteur de l’entrée d’air et à 1 m de celle-ci. Le niveau de pression sonore ne doit pas dépasser celui garanti, la tolérance habituelle étant de 3 dBA (par rapport à la valeur garantie qui peut, selon les cas, se situer entre 75 et 85 dBA). — Hydraulique : la distribution d’eau doit être homogène sur toute la section du réfrigérant. Si le système de répartition est sous pression, cette dernière doit être vérifiée dans l’axe de l’arrivée au réfrigérant au moyen d’un manomètre. Une tolérance de ± 0,05 bar est admise. — Électrique : les ventilateurs ont un calage des pales réglable à l’arrêt. Le calage idéal est pratiquement impossible à réaliser et l’on admet une tolérance de ± 10 % sur la puissance garantie. Il ne

faut pas oublier de corriger la puissance relevée en fonction de la masse volumique de l’air ; en cas de dépassement, le calage des pales est à reprendre par le constructeur. — Thermique : la température d’eau refroidie est, sauf stipulation contraire, garantie avec une tolérance de ± 1 oC tenant compte en particulier des erreurs de mesure. Le constructeur doit fournir une courbe de fonctionnement donnant la température d’eau refroidie en fonction de la température d’air humide, du débit-volume d’eau et de l’écart de température (figure 10). Si les conditions ci-dessous sont toutes réunies, l’essai peut être entrepris : — le débit-volume d’eau est égal au débit nominal ± 10 % ; — l’écart de température est égal à l’écart nominal ± 20% ; — la température humide de l’air est supérieure à 3 oC ; — la vitesse du vent est au plus égale à 5 m/s ; — il ne doit pas pleuvoir.

4.8 Entretien Le réfrigérant industriel demande peu d’entretien. Il est cependant essentiel de ne pas négliger les points ci-après si l’on veut conserver l’appareil en bon état de marche, et lui garder ses performances d’origine pendant de nombreuses années. Un réfrigérant entretenu régulièrement doit assurer sa fonction pendant au moins 10 ans et certains sont encore en parfait état après plus de 20 ans. 4.8.1 Bassin. Enveloppe. Toiture

Le bassin doit être nettoyé périodiquement de deux à six fois par an, la cadence étant fonction de l’environnement. Une attention particulière est à porter à la crépine sur la reprise d’eau et à la régulation de l’appoint.


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Figure 10 – Courbe de fonctionnement du constructeur pour l’essai thermique du réfrigérant industriel

Les fuites d’eau au bardage sont à boucher au moyen de mastic polyester. En cas de vibration de la charpente ou de la virole, il faut resserrer les boulons, ceci étant particulièrement utile pendant les premiers mois de fonctionnement et après un arrêt prolongé. Il faut également repeindre avec une peinture bitumineuse les parties métalliques après un brossage soigné, s’il y a apparition de rouille. 4.8.2 Distribution d’eau

Une inspection est nécessaire en moyenne tous les six mois : il faut déboucher les ajutages ou les gicleurs si nécessaire, nettoyer les auges et les rigoles et remettre en place les éléments du séparateur de gouttes qui auraient pu se déplacer. Une augmentation anormale de la température d’eau refroidie correspond très souvent à une mauvaise répartition d'eau .

— Réducteur : la vidange se fait également selon la notice du constructeur. Elle a lieu en général la première fois après 300 h de marche et ensuite toutes les 2 500 h et il faut, au moins une fois par an, procéder au graissage des roulements et vérifier que la mise à l’air n’est pas obstruée. En marche normale, le niveau d’huile lu à l’arrêt du réducteur est à contrôler une fois par mois. — Transmission poulies-courroies : la tension des courroies est à vérifier une fois par mois et si une ou plusieurs courroies sont défectueuses, il faut changer tout le lot. — Ventilateur : après 100 h de marche, le calage des pales est à contrôler ainsi que le serrage des boulons de fixation. Cette opération est à renouveler ensuite tous les ans. Le jeu entre bout de pale et virole ne doit pas varier, sinon le groupe est à recentrer, et la boulonnerie du châssis et éventuellement de la virole est à resserrer. 4.8.5 Traitement des eaux

4.8.3 Surface d’échange

L’entretien des surfaces d’échange, particulièrement de celles à film, est pratiquement impossible. Il faut veiller à la propreté de l’eau de circulation et effectuer un traitement approprié si l’on observe la formation d’algues ou l’apparition de dépôts de sels. Une filtration fine de l’eau d’appoint peut être nécessaire ainsi qu’une filtration dérivée de celle du bassin d’eau refroidie.

Nous avons évoqué précédemment ce problème qui doit être résolu par un spécialiste. En effet, ce traitement a un double rôle : il doit protéger à la fois le réfrigérant mais aussi le circuit desservi. Au niveau du réfrigérant, il assurera la protection contre les algues, les dépôts de sels calcaires ou autres et l’attaque des bois par la pourriture. Pour le circuit extérieur, il comprendra un inhibiteur de corrosion et une régulation du pH. La protection des circuits peut se faire au niveau de l’appoint ou par injection dans le circuit d’eau.

4.8.4 Moto-ventilateurs

Ce matériel doit être entretenu périodiquement. — Moteur : les graissages se font selon les prescriptions du constructeur (périodicité, caractéristiques des graisses).

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4.8.6 Fonctionnement en hiver

Le fonctionnement en hiver, par température inférieure à 0 oC, pose un certain nombre de problèmes. Il ne faut pas que les formations de glace inévitables prennent une importance trop grande pouvant entraîner des ruptures de pièces de charpente. Si le réfrigérant possède des moteurs à deux vitesses, il faut passer en petite vitesse lorsque la température de l’eau refroidie descend au-dessous de 8 oC. La glace ne doit pas être cassée, mais fondue régulièrement. Pour cela, on peut : — arrêter périodiquement le ventilateur (1/2 h matin et soir) ; — boucher partiellement les entrées d'air en laissant en partie basse uniquement une ouverture d'au moins 30 % de la surface.

5. Réfrigérants monoblocs 5.1 Principe d’exécution La figure 11 donne le principe d’exécution d’un réfrigérant monobloc qui comprend au moins les éléments suivants. Le bassin de réception d’eau refroidie est réalisé le plus souvent en acier ou en polyester armé. Il est muni des accessoires nécessaires à son fonctionnement et à son raccordement : — une reprise d’eau refroidie avec crépine à grosse maille (sortie par un tube et raccordement extérieur par une bride normalisée ou un filetage) ; — une arrivée d’eau d'appoint avec régulation par robinet à flotteur ; — un trop-plein avec fuite permanente contrôlée pour déconcentration ; — éventuellement, des résistances chauffantes pour l'hiver et une prise de température d’eau refroidie permettant d'assurer la régulation de cette température (§ 3.2.8.3). L’enveloppe est également réalisée en acier ou en polyester armé ; à l’intérieur, sont placés les éléments d’échange, la distribution d’eau et le séparateur de gouttes. Le groupe de ventilation est placé soit en partie basse sur une face de l’enveloppe, soit en partie haute en coiffant entièrement l’enveloppe. Dans ce dernier cas, la partie basse de l’enveloppe comporte des entrées d’air sur deux ou quatre côtés munies éventuellement de persiennes (figure 7). Il faut porter une attention particulière à la réalisation du bassin et de l’enveloppe et à leur protection, car ces éléments en tôle ou en polyester armé conditionnent en grande partie la bonne tenue dans le temps du réfrigérant. — Éléments en tôle d’acier : en raison des risques importants de corrosion dus à l’atmosphère à la fois humide et aérée, la tôle doit être soigneusement protégée. Les solutions suivantes donnent en général satisfaction : • tôle noire sablée et revêtue de deux ou même trois couches de peinture bitumineuse de bonne qualité (épaisseur moyenne de la peinture de 0,1 mm par couche) ; • tôle galvanisée avec une épaisseur minimale de galvanisation de 40 µm ; en cas d’ensembles soudés, la galvanisation à chaud après fabrication est obligatoire ; une peinture intérieure de protection appliquée sur la galvanisation, après préparation des surfaces, améliore la tenue dans le temps, l'usure de la galvanisation sous l'effet du ruissellement de l'eau n'étant pas négligeable (de l'ordre de 5 µm par an) ; des peintures spéciales sont à prévoir en cas de circulation d’eau chargée ou agressive ;

Figure 11 – Réfrigérant monobloc

• tôle en acier inoxydable 18-8 ou mieux 18-10 ; cette solution onéreuse est réservée à certains cas particuliers d’eau de circulation particulièrement corrosive. — Éléments en polyester armé : cette solution donne satisfaction dans la plupart des cas et permet de réduire considérablement les frais d’entretien. Il faut toutefois savoir que la fibre de verre est sensible à l’humidité et que la qualité du polyester doit être choisie en conséquence. De plus, ce dernier peut être attaqué par certains produits chimiques contenus dans l’eau. Certains polyesters sont facilement inflammables, et une solution métallique est à préférer lorsque l’installation se trouve en zone sensible. Le système de distribution d'eau comprend en général une tuyauterie en métal ou en PVC avec une bride extérieure pour le raccordement à l’installation. Selon la dimension de la cellule, une ou plusieurs tuyauteries secondaires sont disposées au-dessus de la zone d’échange. Elles sont munies de buses de pulvérisation adaptées au débit d’eau à refroidir (§ 3.2.5.1). La surface d’échange et le séparateur de gouttes sont semblables à ceux des réfrigérants industriels (§ 3.2.4 et 3.2.6). La circulation d’air est assurée par un groupe moto-ventilateur hélicoïde placé en partie basse (ventilateur soufflant) ou en partie haute (ventilateur aspirant). On utilise aussi quelquefois un ventilateur centrifuge placé en partie basse du réfrigérant (appareil à fonctionnement silencieux). Les avantages et inconvénients de ces systèmes sont donnés dans les paragraphes 3.1.4 et 3.2.7.


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5.2 Achat et réception

6. Conclusion

Les critères d’achat d’un réfrigérant industriel (§ 4) sont applicables au réfrigérant monobloc. Les problèmes de raccordements hydrauliques et électriques seront à examiner soigneusement. Toujours sur catalogue , le constructeur donne une sélection de réfrigérants dont le dimensionnement est fonction des besoins de l’acheteur (débits-volumes d’eau, abaissement de température) ainsi que de la température humide de l’air. Les performances annoncées doivent avoir fait l’objet d’essais en plate-forme, si possible par un organisme officiel, le Centre Technique Industriel Aéraulique et Thermique (CETIAT) par exemple, en respectant la norme AFNOR X 10-253 (§ 4.7). Il n’est en général pas prévu d’essais particuliers sur site sauf en cas de demande spéciale de l’acheteur (à préciser à la commande). La durée de garantie ne peut être inférieure à un an.

L’achat d’un réfrigérant atmosphérique industriel est une opération très intéressante car l’amortissement de l’installation se fait dans une période variant de quelques mois à quelques années. Il faut, lors de l’achat, connaître parfaitement ses besoins présents et futurs afin de ménager des possibilités d’agrandissement lors de la construction initiale. Le tableau 4 donne, à titre d'exemple , les caractéristiques moyennes des réfrigérants atmosphériques utilisés dans l’industrie. L’entretien du réfrigérant est simple, mais ne doit pas pour cela être négligé. Il est recommandé, dès l’acquisition de l’appareil, de se créer un programme de vérifications périodiques qui, bien menées, permettront d’assurer un fonctionnement satisfaisant pendant de nombreuses années. (0)

Tableau 4 – Exemples de caractéristiques moyennes de réfrigérants atmosphériques utilisés dans l’industrie (1) Utilisateurs de réfrigérants Production électricité classique...................... Conditionnement d’air........................................ Sucreries.............................................................. Refroidissement de moteur thermique ........... Refroidissement machines à injecter ............. Sidérurgie............................................................. Raffineries............................................................ Industrie (en général) ........................................

Caractéristiques de l’air Caractéristiques de l’eau à refroidir Type de Surface prises en référence réfrigérant d’échange Air sec Air humide Approche Eau refroidie Eau chaude Écart Humidité

(2)

(3)

I I,

M I

I,

M

M I I I,

M

o

( C)

o

o

o

o

( C)

(%)

( C)

( C)

( C)

( C)

F, G F G

11 30 20

9 22 15

78 50 60

13 3 10 à 15

22 25 25 à 30

30 à 35 30 à 35 40 à 50

8 à 13 5 à 10 15 à 20

F, G F G F, G F

25 30 20 25 25 à 30

20 22 15 20 20 à 22

65 50 60 65 50 à 60

15 3à5 10 à 15 5 à 10 3à5

35 25 à 27 25 à 30 25 à 30 23 à 27

45 à 55 30 à 35 35 à 50 35 à 40 30 à 40

10 à 20 5 à10 10 à 20 10 à 15 7 à 13

Observations

o

100 m3 d’eau/h/MW Approche la plus faible possible ≈ 5 m3 /h d’eau pour 1 t de betteraves par heure

Ces réfrigérants sont à ventilateur aspirant et avec une circulation air/eau à contre-courant. Les valeurs ci-dessus, donnéesà titre d’exemple, sont à utiliser avec beaucoup de précautions car, dans une même catégorie d’utilisateurs, les procédés de fabrication sont très différents, ce qui entraîne des besoins en eau (volume, approche, écart) pouvant varier dans des limites importantes. (2) I = industriel, M = monobloc. (3) F = film, G = gouttes. (1)

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P O U R

Réfrigérants atmosphériques par Pierre LEMOINE Ingénieur de l’École Breguet Chef du Service Technique des Sources Froides des Établissements SCAM-Alsthom

S A V O I R

Constructeurs de réfrigérants atmosphériques Constructeurs présents sur le marché français Air traitement (Sté Nouvelle). Alsthom SCAM. Baltimore Air Coil (BAC). Brochot (Éts). CCR Sulzer. Hamon (Sté).

E N

Jacir (Éts). Luwa (Sté). Neu (Éts). Soromat. Sté Thermodynamique Service (STS). Velut Réfrigérants Wesper.

P L U S

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de co pie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique

Doc. B 2 481 − 1

réfrigérant atmospherique.pdf

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