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Réfrigérants atmosphériques

par Pierre LEMOINEIngénieur 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 ................................. — 22.1 Réfrigérants pour centrales électriques..................................................... — 22.2 Réfrigérants industriels............................................................................... — 22.3 Réfrigérants monoblocs.............................................................................. — 2

3. Réfrigérants industriels.......................................................................... — 23.1 Différents types de réfrigérants industriels............................................... — 23.2 Construction d'un réfrigérant industriel .................................................... — 5

4. Achat d'un réfrigérant industriel ........................................................ — 94.1 Besoins ......................................................................................................... — 94.2 Réfrigérant optimal...................................................................................... — 104.3 Implantation du réfrigérant......................................................................... — 114.4 Bilan. Prix ..................................................................................................... — 114.5 Quelques chiffres......................................................................................... — 124.6 Mise en service ............................................................................................ — 124.7 Réception...................................................................................................... — 134.8 Entretien ....................................................................................................... — 13

5. Réfrigérants monoblocs......................................................................... — 15

5.1 Principe d'exécution.................................................................................... — 155.2 Achat et réception........................................................................................ — 16

6. Conclusion ................................................................................................. — 16

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 2 481

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RÉFRIGÉRANTS ATMOSPHÉRIQUES ________________________________________________________________________________________________________

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1. Principe de refroidissement

Nous rappellerons ci-dessous les éléments de base entrant dansle calcul du dimensionnement d’un réfrigérant industriel.

Calcul thermiqueL’équation fondamentale de la transmission de chaleur dans un

réfrigérant atmosphérique à contre-courant, résultant de la théoriede 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 surfaced’échange,

Q quantité de chaleur échangée,

S surface de contact air/eau.

Les deux facteurs K et S caractérisent directement la qualité duréfrigérant, le facteur ∆Hm dépendant uniquement des conditionsde fonctionnement imposées par l’utilisateur (plus l’écart moyen

de température entre l’air et l’eau est important, plus la quantité dechaleur 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.

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 = ∆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’airdonné par le calcul thermique permet de déterminer lescaractéristiques du ou des ventilateurs : diamètre, vitesse derotation, puissance absorbée.

2. Divers types de réfrigérantsatmosphériques

2.1 Réfrigérants pour centralesélectriques

Ces réfrigérants, destinés à assurer le refroidissement de débits

d’eau très importants, peuvent atteindre pour une unité jusqu’à200 000 m3 /h.

2.2 Réfrigérants industriels

Les réfrigérants industriels sont des appareils de capacitémoyenne ou importante caractérisés principalement par leurencombrement qui nécessite une mise en place sur site des dif-férents éléments livrés démontés.

La gamme des débits d’eau correspondants s’étend de 50à 100 m3 /h pour les plus petits modèles, à 50 000 m3 /h pour les

unités les plus importantes. Les réfrigérants sont constitués d’uneseule unité pour les débits faibles et moyens et de plusieurs unitésaccolées pour les gros débits.

Les réfrigérants industriels existent sous forme préfabriquéepour le bas de gamme (50 à 2 000 m 3 /h) et sont réalisés à lademande 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 surfaced’échange, hauteur réduite, fonctionnement silencieux, etc.)pouvant être exigés par l’acheteur en fonction des fonctions localesd’exploitation.

2.3 Réfrigérants monoblocs

Ces appareils, contrairement aux réfrigérants industriels, sontfabriqués en usine chez le constructeur et livrés prêts à fonctionnerchez l’utilisateur, après raccordements hydraulique et électrique.

Les cellules de dimensions importantes sont parfois livrées endeux ou trois éléments assemblables rapidement sur place pourfaciliter 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 rarement300 m3 /h. Ils sont pratiquement toujours prévus pour être montésbatteries par juxtaposition de plusieurs éléments unitaires.

3. Réfrigérants industriels

3.1 Différents types de réfrigérantsindustriels

Bien que le principe de refroidissement soit identique pour tousles appareils, on distingue un grand nombre de variantes dans laréalisation pratique, ces variantes correspondant chacune à uneutilisation 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 ouartificielle.

3.1.1.1 Appel d’air par tirage naturel

Dans ces appareils, la circulation d’air est assurée par unecheminée placée au-dessus des surfaces d’échange. Cette solutionexiste encore pour certains anciens appareils, mais est actuellementréservée 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 ventilateursplacés en partie basse ou en partie haute des réfrigérants.


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_______________________________________________________________________________________________________ RÉFRIGÉRANTS ATMOSPHÉRIQUES


Le constructeur, connaissant les caractéristiques de perte decharge du circuit d’air, peut fixer exactement la valeur du débit d’airet mieux déterminer les réfrigérants répondant parfaitement à lademande. Ceci permet la réalisation d’appareils beaucoup pluspetits qu’en tirage naturel, plus souples d’exploitation, moinsonéreux et plus efficaces.

3.1.2 Circulation d’air

La circulation d’air se fait pratiquement toujours à contre-courantde l’eau, dans les appareils construits en Europe. Elle se fait, parcontre, 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 (20à 40 % de plus en surface au sol par rapport aux réfrigérants àcontre-courant).

Il se pose souvent des problèmes de répartition d’eau dans les

zones exposées au vent et les surfaces sont sensibles au gel. Unavantage des courants croisés est, dans certains cas, d’avoir unepuissance 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 Francesont de ce type.

3.1.3 Surface d’échange

La surface d’échange du réfrigérant comprend un ensembled’éléments destinés à assurer le meilleur contact entre l’eau àrefroidir 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 duconstructeur 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 courantd’air important.

Ce système est pratiquement abandonné aujourd’hui en raisonde 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 verticalestrès rapprochées entre lesquelles circule à contre-courant l’airextérieur (figure 1a ). La hauteur totale des éléments d’échange sesitue entre 0,90 et 1,50 m.

Les surfaces d’échange peuvent être réalisées en différentsmatériaux : amiante-ciment, tôle galvanisée, plastique, etc.Toutefois, la majorité des appareils construits actuellement possèdedes 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. Cessystèmes permettent d’obtenir un gaufrage dans deux plansaméliorant considérablement les qualités d’échange. Les feuillessont ensuite assemblées entre elles par collage, soudure à froid ousoudure par points pour former les packings.

L’utilisateur veillera à ce que les packings qui lui sont proposéssoient de bonne qualité. En particulier :

— la tenue au feu doit être excellente, ce qui exclut impéra-tivement toute utilisation de polystyrène ou de polypropylène ; lePVC est le meilleur matériau mais il doit comporter des additifs anti-feu et anti-ultraviolets, ainsi que des stabilisants ;

— l’espacement entre les feuilles doit être suffisant pour limiterles risques de bouchage en fonctionnement (ne pas descendreau-dessous de 20 mm, ou 15 mm pour de l’eau non chargée, entreles feuilles) ;

— la rigidité du packing doit être suffisante pour assurer satenue mécanique correcte pendant toute la vie de l'appareil ;

— la nature du matériau doit être compatible avec la températured’eau chaude : en règle générale, la température d’eau chaude estinférieure à la température de ramollissement Vicat du PVC moins20 oC ; des PVC spéciaux permettent de fonctionner avec des eauxatteignant 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 auxeaux de circulation chargées, entartrantes ou à haute température.

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


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L’eau s’écoule en chute libre dans le réfrigérant, l’air pouvantcirculer à contre-courant ou à courants croisés. Elle est arrêtéepériodiquement par des éléments horizontaux destinés à freiner sachute et à la faire éclater en fines gouttelettes (figure 2).Contrairement à la solution à film, la surface d’échange estconstituée 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 plusélevée, ce qui conduit à des constructions plus volumineuses(figure 3).

Le gros avantage de ce système est d’être très peu sensible àl’encrassement en présence d’eaux chargées, l’espacement entreéléments étant d’au moins 5 cm dans le plan horizontal et d’aumoins 15 cm dans le plan vertical. Il est recommandé pour lesappareils destinés à la sidérurgie, aux sucreries et, en général,quand le titre alcalimétrique complet (TAC) de l’eau dépasse 25 à30 degrés français.

Les surfaces d’éclatement sont réalisées en bois traité, enamiante-ciment ou en plastique. Dans ce dernier cas, on emploiedu PVC (lattes extrudées) ou plus souvent du polypropylène, lesrisques 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’eauchaude de 75 oC alors qu’il ne faut pas dépasser 55 oC avec le PVC.Pour des températures plus élevées, le bois traité constitue unesolution acceptable.

3.1.4 Ventilation

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

3.1.4.1 Ventilateurs soufflants

Le groupe moto-ventilateur à axe horizontal monté en virolemétallique 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 deshélices de petit ou moyen diamètre (3 m au maximum).

Figure 2 – Surface d’échange à gouttes

Figure 3 – Réfrigérants industriels à ventilateurs aspirants,

avec une enveloppe en plastique et une charpente en bois

Figure 4 – Réfrigérant à ventilateur soufflant


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Le ventilateur est placé soit directement en bout d’arbre dumoteur pour les hélices de petit diamètre (jusqu’à 1,80 m), soit surl’arbre lent d’un moto-réducteur à axe horizontal ou sur un arbreporté par deux paliers, la transmission moteur-hélice étant alorsréalisée 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 situésdans 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 moinsuniforme ;

— il y a un rejet de l'air de sortie à faible hauteur et faible vitessefavorisant le phénomène de recirculation (réaspiration de l'airchaud et humide sortant de la tour par le moto-ventilateur) ; il enrésulte 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 àl’intérieur d’une virole en bois traité, en tôle d’acier protégée, enpolyester armé ou en béton.

L’entrée d’air se fait en partie basse de l’enveloppe par desouvertures placées sur 2 ou 4 faces de la cellule. L’air traverseensuite les surfaces d’échange et est aspiré en partie haute par leventilateur (figure 5). Le diamètre des ventilateurs varie de 2 à12,50 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 m3 /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 risquesde recyclage.

Inconvénients :— il est mal adapté aux eaux agressives ou corrosives (eaux

fluorées par exemple), car elles peuvent atteindre le groupe deventilation malgré le séparateur de gouttes ;

— ce système nécessite des groupes de ventilation pluscomplexes et moins accessibles : attention aux systèmes detransmission moteur-ventilateur par courroies trapézoïdales dansl'air humide et chaud ; on observe très souvent des glissementsimportants et une usure rapide des courroies si la transmission n'estpas prévue pour une puissance au moins double de la puissancenominale.

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 classiqueest 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 certainscas particuliers.

3.2 Construction d’un réfrigérantindustriel

3.2.1 Circuit d’eau

Le réfrigérant industriel constitue l’un des maillons de la chaînede refroidissement d’une installation, les autres maillons étant la oules 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 traversl’installation à refroidir et renvoyée ensuite en partie haute duréfrigérant ;

— le circuit semi-fermé (figure 6b ), où l’eau, reprise égalementdans le bassin d’eau refroidie par une pompe et arrivant à l’appareilà refroidir (cuve, four, etc.), subit une mise à l'air libre ; il faut alors

la reprendre par une deuxième pompe pour assurer son retour enpartie haute du réfrigérant.

Il faut faire très attention à ce dernier type de circuit car les deuxpompes placées en série n’ont jamais un débit identique et, sansprécautions spéciales, l’un des circuits sera rapidement en manqued’eau.

Un déversement d’un circuit dans l’autre (A → B) permet depallier ce défaut et d’assurer une marche normale. En règlegénérale, la pompe de renvoi d’eau chaude doit avoir un débit légè-rement plus fort (quelques pour-cent) que celui de la pompe d’eaurefroidie afin que le déversement de bassin à bassin se fasse dansle sens froid vers chaud.

Figure 5 – Réfrigérant à ventilateur aspirant


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3.2.2 Bassin d’eau refroidie

Le bassin de réception d’eau refroidie placé sous le réfrigérantest pratiquement toujours réalisé en béton armé.

Il doit avoir une capacité suffisante pour que, lors du démarragede la pompe, le remplissage des tuyauteries ne fasse pas tomberson niveau à une valeur trop faible pouvant provoquer uneintroduction 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 endessous de la margelle pour éviter toute sortie d’eau.

Le bassin doit être réalisé avec soin et les problèmes d’étanchéitésont toujours délicats à résoudre. L’addition d’un produit hydrofugeest recommandée dans le béton et l’étanchéité sera parfaite par unenduit de mortier, ou mieux par une peinture bitumineuse ou brai-époxydique passée après séchage du béton.

Des points d’appuis (potelets ou poutres) servent à supporter leséléments intérieurs ainsi que l’enveloppe, si celle-ci n’est pas enbéton. Dans ce dernier cas, la liaison avec la charpente se fait aumoyen de tiges d’ancrage scellées au mortier ou avec des boulonsfixés à la résine. Des chevilles autoforeuses peuvent égalementêtre utilisées.

3.2.3 Enveloppe et toiture

Plusieurs systèmes sont employés pour l’exécution de l’enve-loppe et de la toiture des réfrigérants industriels.

3.2.3.1 Enveloppe en béton armé

Elle se rencontre principalement dans les tours de capacitéimportante (à partir de 1 000 m3 /h), son prix de revient étant plusimportant que celui des autres solutions.

Si l’exécution du béton est correcte et la protection contre leruissellement de l’eau bien réalisée, la durée de vie est très grande(plusieurs dizaines d’années). Ceci n’est cependant pas, paradoxa-lement, un point très important car l’expérience montre qu’au boutd’une période de 10 à 15 ans les besoins changent dans uneentreprise et que le problème de refroidissement doit êtreentièrement revu. Une exécution en béton fige tous les paramètres(encombrement au sol, hauteurs des entrées d’air, de l’arrivée d’eauet de toiture, diamètre du ventilateur, etc.) et il est très difficiled’apporter une amélioration intéressante.

Cette construction doit donc être réservée aux installations àcaractéristiques immuables (petites centrales électriques, par

exemple).

3.2.3.2 Charpente en béton armé avec l’enveloppeet 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 qualitésde tenue dans le temps.

3.2.3.3 Charpente métallique avec l’enveloppe en plastique(ou en amiante-ciment)

On rencontre couramment ce type de construction dans lesgammes de débit moyen (jusqu’à 1 000 m3 /h).

La charpente est composée d’éléments métalliques modulairesen acier galvanisé (80 µm) assemblés entre eux par boulonnage(figure 7).

L’enveloppe, la toiture et la cheminée de ventilation sont le plussouvent en polyester armé de fibres de verre dont la tenuemécanique est bonne. Le polyester armé de l’enveloppe est parfoisremplacé par du PVC ininflammable.

Ces appareils sont plus esthétiques que ceux en béton, en raisonde l’aspect agréable de l’enveloppe en plastique coloré.

Ils sont facilement démontables et leur remplacement à termepar un autre type est parfaitement réalisable.

3.2.3.4 Charpente en bois traitéavec l’enveloppe en plastique

La majorité des réfrigérants de débit supérieur à 1 000 m3 /h estconstruite de cette manière (figure 3).

La charpente en résineux de montagne (sapin, épicéa, mélèze)comprend un ensemble de poteaux, poutres, contreventementsde forte section (de 100 mm × 100 mm à 150 mm × 150 mm)assemblés par des plats et boulons en acier galvanisé à chaud ouen acier inoxydable en cas d’eaux agressives (les boulons cadmiés-bichromatés du commerce sont à rejeter du fait de leur mauvaisetenue en milieu chaud, humide et aéré). Une excellente solutionconsiste à passer sur toute la boulonnerie, après serrage, deuxcouches de peinture bitumineuse qui l’isolent de l’air et de l’eau.

Les bois de charpente peuvent être traités au moyen de produitsfongicides et insecticides pour les protéger contre les attaques dechampignons ou d’insectes. Ces traitements se font par trempageou par injection sous vide et pression , ce dernier étant plus efficacemais plus onéreux. Il faut toutefois savoir que leur efficacité n’estpas totale en raison du délavage continuel des bois, mais leuremploi est cependant fortement recommandé.

Figure 6 – Circuit d’eau : source à refroidir avec ou sans mise

à l’air de l’eau de refroidissement


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La toiture de ces réfrigérants est le plus souvent en bois (parquetou contreplaqué) et la cheminée de ventilation en polyester arméde fibres de verre.


Nous avons vu au paragraphe 3.1.3 les deux types de surfacesd’échange (à gouttes et à film), ainsi que les matériaux utilisés habi-tuellement. 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 parpointes 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 peuventaccepter sans casse des surcharges importantes ;

— les appareils destinés à l’exportation, le remplacementéventuel de pièces en bois par l’utilisateur posant moins deproblèmes 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) serencontrent encore quelquefois chez certains utilisateurs qui nedésirent pas avoir d’éléments plastiques. Leur tenue dans le tempsest bonne, mais elles craignent les eaux acides et certaines eauxchargées.

3.2.5 Distribution d’eau chaude

3.2.5.1 Distribution sous pression

Dans cette distribution, l’eau à refroidir est répartie dans uncertain nombre de tuyauteries parallèles au-dessus de la dispersion.

Le pas de ces tuyauteries varie de 0,60 à 1,25 m. Des ajutages fixéssur leur génératrice inférieure dirigent l’eau sur des coupelles quila pulvérisent et la répartissent au-dessus des surfaces d’échange(figure 8).

Les tuyauteries peuvent être en acier peint ou galvanisé, enamiante-ciment, en polyester armé, ou en PVC.

Les ajutages de pulvérisation doivent avoir un diamètre intérieursuffisant pour ne pas se boucher, 20 mm au minimum. Leurdémontage et leur remontage doivent pouvoir s’effectuerrapidement.

Le système sous pression assure une bonne pulvérisation del’eau, mais au prix d’une puissance de pompage non négligeable.Le constructeur indiquera toujours la pression de service, celle-cidevant être au maximum de 0,2 bar (2 mCE). Les tuyaux sont assezdifficiles à nettoyer et le débit d’eau doit peu varier pour garderune 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 uneauge ouverte d’où elle est répartie dans des rigoles secondaireségalement ouvertes. La circulation se fait par gravité sous faiblecharge : 0,05 bar (0,5 mCE). Des ajutages, de diamètre plus impor-tant que dans une arrivée sous pression (25 à 60 mm), dirigent l’eausur des coupelles de rejaillissement d’où elle s’écoule sur lessurfaces d’échange (figure 9).

Ce dispositif est particulièrement adapté aux systèmesd’échange à gouttes dans lesquels on peut accepter une répartitionplus 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 automatiqued'ajutages à plusieurs niveaux (de 40 % à 120 % du débit nominal) ;

— l'adaptation très rapide du circuit en cas de variation per-manente du volume d’eau à refroidir.

Figure 7 – Réfrigérant monobloc à ventilateur aspirant

avec une charpente et une enveloppe en acier galvanisé

Figure 8 – Distribution d’eau par tuyauterie sous pression


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L’auge principale et les rigoles secondaires peuvent êtreconstruites en béton, en acier protégé par galvanisation ou peinture,ou en bois traité. Les ajutages sont en PVC, en polypropylène ouen acier inoxydable.

3.2.6 Séparateur de gouttes

Le séparateur de gouttes placé au-dessus de la dispersion estune chicane permettant de retenir les gouttes d’eau contenuesdans l’air chaud sortant du réfrigérant. Son pouvoir de séparationdoit être supérieur à 0,1 % du débit d’eau en circulation dans lesréfrigérants industriels.

Son rôle est particulièrement important et une mauvaise sépa-ration peut entraîner les inconvénients suivants :

— une perte d’eau importante devant être compensée par unappoint supplémentaire ;

— une érosion très rapide des pales des ventilateurs dans le casde ventilateurs aspirants entraînant leur indisponibilité en quelquessemaines ou quelques mois ;

— une dispersion d’eau importante autour du réfrigérant avecdes risques de corrosion des charpentes et objets métalliques, de

formation de verglas en hiver, ou de pollution de l'environnement.


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 àétudier en fonction de l’environnement (en particulier, l’aluminiumest à éviter en atmosphère saline) ; les pales, dans la majorité desconstructions, ont un réglage de l'angle d'attaque permettantd'adapter les caractéristiques de l’hélice à celles du circuit d'air ;

— parfois un faux moyeu rapporté en tôle ou en polyester pouréliminer les risques de circulation inverse de l’air en partie centrale.

3.2.7.2 Réduction de vitesse

Mis à part les ventilateurs de faible diamètre (inférieur à 2 m), ilfaut prévoir un organe de réduction de vitesse entre le moteur etle ventilateur.

Pour de faibles puissances (inférieures à 40 kW), l’emploi d’unsystème de poulies-courroies trapézoïdales peut être envisagé,particulièrement avec les ventilateurs soufflants.

Il faut toutefois savoir que l’ambiance dans la zone de ventilationest humide (ventilateurs soufflants) ou très humide (ventilateursaspirants) et que les risques de glissement des courroies sontimportants.

La règle suivante constitue un minimum pour le choix de latransmission à courroies :

— ventilateur soufflant :

puissance de calcul = 1,5 fois la puissance moteur

— ventilateur aspirant :

puissance de calcul = 2 fois la puissance moteur

La réduction de vitesse par réducteur monobloc à arbres paral-lèles ou perpendiculaires est une bonne solution, et la seule valablepour des puissances supérieures à 40 kW. Le système à trainsépicycloïdaux a souvent donné des mécomptes, en particulier auniveau de la lubrification interne, et n’est pas recommandé.

Avec les réducteurs à arbres parallèles, le moteur se trouve, dansles ventilateurs aspirants, dans l’air chaud et humide. Certainsutilisateurs préfèrent avoir le moteur à l’extérieur de la tour ; leréducteur est alors à arbres perpendiculaires et un arbre de liaisonassure la transmission moteur-réducteur (figure 5). Cet arbre doitêtre très soigneusement équilibré pour ne pas vibrer et parfaitementprotégé contre la corrosion.

Pour faciliter l’entretien du réducteur, il est conseillé de prévoirun ensemble de tuyauteries reportant à l’extérieur du réfrigérantles 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 protectionrenforcée contre l’eau et les poussières. Le minimum est un degréde protection de IP 55 (norme NF C 20-010).

Si le moteur se trouve dans la veine d’air chaud et humide, il doitcomporter 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 toutefoisle prévoir à deux vitesses (1 500 et 750 ou 1 500 et 1 000 tr/min) afinde pouvoir adapter le refroidissement en fonction des caractéris-tiques thermiques ou de la marche en hiver.

3.2.8 Accessoires

Les principaux éléments constitutifs ont été indiqués précé-demment. Le réfrigérant industriel peut recevoir d’autres acces-soires destinés à faciliter sa conduite.

3.2.8.1 Régulation de niveau

La perte en eau par évaporation ainsi que la purge continuedoivent être compensés par une arrivée d’eau d’appoint dans lebassin d’eau refroidie. Il est conseillé de réguler cette arrivée parun robinet flotteur.

Figure 9 – Distribution d’eau par auge et rigoles (sans pression)


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3.2.8.2 Purge

Il est conseillé d’effectuer une purge continue du circuit pour nepas avoir, à la longue, une concentration anormale en sels. Lavaleur de cette purge est fonction de la qualité de l’eau d’appoint.Une formule empirique souvent employée donne la quantité d’eauà éliminer :

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 relativementconstante en fonction de la température d’air extérieur ou de lachaleur éliminée, on peut placer une sonde dans la sortie d’eau.

Cette sonde pilotera :— soit une vanne trois voies assurant un mélange eau chaude-

eau refroidie en proportion variable ;

— soit le ventilateur lui-même (marche par tout ou rien) ;attention toutefois, dans ce cas, à ne pas dépasser 10 démarragespar heure ce qui provoquerait un échauffement anormal du moteur ;

— soit le moteur à deux vitesses ; dans ce cas, ne jamais passerdirectement d'une grande à une petite vitesse, le freinage brutalétant préjudiciable aux parties tournantes ; la séquence normaleest : grande vitesse → arrêt → petite vitesse ; par contre, il n'y apas de risque à passer directement d'une petite à une grandevitesse.

3.2.8.4 Antigel

Si le réfrigérant est arrêté pendant plusieurs jours consécutifs enhiver, il est recommandé de vider le bassin pour ne pas détériorerle béton sous la poussée de la glace.

On peut également prévoir sur la périphérie du bassin desrésistances 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 unsite exposé au vent, il est recommandé de munir les entrées d’airde persiennes inclinées à 45o pour limiter les sorties d’eau en partiebasse (figure 7). Ces persiennes peuvent être rajoutées après coupsi le besoin s’en fait sentir. Dans les sites très exposés (dans le casdu mistral, par exemple), une paroi intérieure centrale améliore laprotection.

3.2.8.6 Détecteur de vibrations

On peut monter sur les groupes moto-ventilateurs des détecteursdestinés à arrêter le moteur en cas de vibrations anormales.

Ces éléments, bien que recommandés particulièrement pour lesréfrigérants à charpente légère (bois ou métal), sont, dans lapratique, peu efficaces car leur réglage et leur entretien sont rela-tivement difficiles. Ils réagissent parfois inopinément aux coups devent importants et provoquent alors des arrêts intempestifs.

3.2.8.7 Antidévireur

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

4. Achat d’un réfrigérantindustriel

4.1 Besoins

Bien que ceci semble évident, il est impératif de rappeler que leréfrigérant industriel doit répondre aux besoins de l'exploitant,besoins constitués par l’élimination d’une quantité de chaleurdonnée.

Le premier point est donc de cerner au plus près ces besoins etde 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 m

3 /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 troppetit et ne remplira pas son rôle. Si on les surestime, on feral’acquisition d’un appareil trop coûteux en prix d’achat et en fraisd’exploitation.

Examinons les paramètres principaux dont l’influence sur ledimensionnement sera étudiée au paragraphe 4.5.

4.1.1 Débit-volume d’eau

Le débit-volume d’eau à refroidir est défini en général parl’appareil desservi (échangeur par exemple) et est connu avec unebonne précision. Il est donc inutile de le surestimer car le systèmede distribution d’eau du réfrigérant doit être conçu pour le débit-volume 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 ). Siles conditions de fonctionnement ne sont pas connues exactement,il peut être prudent de prendre une marge de 10 à 20 % sur savaleur moyenne.

4.1.3 Température d’eau refroidie

Ce point est de loin le plus important car il conditionne engrande partie le dimensionnement du réfrigérant. Il faut toujoursse rappeler que l’eau froide coûte cher.

Les questions à se poser sont donc :

— quelle doit être la température d’eau refroidie la plus élevéecompatible 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’airhumide ; c’est elle qui fixe en priorité le dimensionnement.

p q v TH

125 TH–-------------------------=


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Il importe donc de bien déterminer la température humide del'air de référence pour laquelle sera fixée l’approche. Cette tempé-rature choisie peut être :

— la température maximale enregistrée dans la région pendantles 5 ou 10 dernières années ; ce cas est rare et correspond à lanécessité 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 parla majorité des industries ;

— la température moyenne de l’année ; cette option est adoptéepar les centrales électriques, par exemple, où seul le rendement estaffecté, en plus ou en moins, par les variations de températured’eau refroidie ;

— la température moyenne pendant la période de fonction-nement ; les sucreries entrent dans cette catégorie (marche enautomne et hiver) ainsi que les installations de conditionnementd’air (marche en été).

Ces diverses valeurs de température humide de l’air sont fourniespar les stations régionales de la Météorologie nationale. Leconstructeur de réfrigérant possède de son côté des recueils destatistiques lui permettant de conseiller son client.

Le tableau 1 donne quelques valeurs de température humide del’air rencontrées dans les principales villes de France. (0)

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

4.2 Réfrigérant optimal

Le réfrigérant optimal est celui répondant parfaitement auxbesoins, et ceci au meilleur coût, tant d’achat que d’entretien. C’estdonc un compromis entre diverses solutions possibles. Leparagraphe 3 a déjà présenté, avec leurs avantages etinconvénients, les réalisations possibles, les matériaux deconstruction, la nature des surfaces d’échange et le type deventilation. Nous pouvons ajouter certains conseils.

(0)

4.2.1 Enveloppe

La solution de base (§ 3.2.3) correspond à une enveloppe en poly-ester armé, fixée sur une charpente métallique (débits moyens) ousur 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.


La solution classique (§ 3.1.3 et 3.2.4) est le packing en PVC, avecun système à film. On doit cependant lui préférer :

— en cas d’eaux entartrantes ou chargées, la solution à gouttesavec des clayettes en polypropylène ou des lattes en PVC, en boisou en amiante-ciment ;

— pour des eaux très chaudes (plus de 60 oC), la solution àgouttes avec des clayettes en polypropylène si l'on ne dépasse pas70 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 certainscas :

— une eau de circulation très agressive ; dans ce cas, il fautadopter un ventilateur soufflant placé ainsi hors d'atteinte desgouttelettes d’eau pouvant traverser le séparateur de gouttes ;

— un réfrigérant construit dans des pays mal desservis ; leréducteur est à remplacer par une transmission à courroies trèslargement dimensionnée dont l'entretien et le réapprovisionnementsont plus simples ;

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

VillesMaximale

(1)Moyenne

d’étéMoyenneannuelle

Valenciennes........................... 22,5 16,5 10Reims....................................... 23 17,5 10Paris......................................... 24 17,5 10,5Strasbourg .............................. 23 18 10Brest ........................................ 20 16 11Rennes..................................... 23 17 11

Tours ....................................... 24,5 17,5 11Dijon ........................................ 22,5 18,5 10Clermont-Ferrand................... 24 19 11Lyon......................................... 24 18 10,5Bordeaux................................. 23 18,5 12Toulouse ................................. 24 18,5 12,5Marseille.................................. 23,5 20 13,5Ajaccio..................................... 25 21 15

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

Tableau 2 – Projet d’appel d’offres pour la constructiond’un réfrigérant atmosphérique industriel

Caractéristiques thermiques :— Débit-volume d’eau nominal........................................... m3 /h

— Abaissement de température..........................................o

C— 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, ther-mostat, etc.


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

4.2.4 Nombre de cellules

Pour des conditions données, la solution à une seule cellule estla moins coûteuse à l’achat. Elle n’est toutefois pas toujours lameilleure, car elle manque de souplesse.

Un réfrigérant à deux cellules de capacité moitié se montresouvent plus rentable, principalement si l’on ne fonctionne pastoujours à pleine charge. La sécurité est accrue car une panne deventilation, par exemple, ne condamne pas le refroidissement si ledeuxième groupe continue à tourner et l’exploitation peut sepoursuivre avec seulement une légère baisse de production ou derendement.

Dans le cas où les cellules ne sont pas indépendantes les unesdes autres, il est recommandé de munir les réducteursd’antidévireurs (§ 3.2.8.7).

4.3 Implantation du réfrigérant

4.3.1 Situation

Le réfrigérant industriel doit impérativement être construit àl’extérieur dans une zone suffisamment dégagée pour assurer à lafois l’alimentation en air froid en partie basse et l’évacuation d’airchaud en partie haute.

L’entrée d’air doit être libre latéralement sur une distance aumoins égale à 1,5 fois sa hauteur. Elle ne doit pas être masquée parune construction ou un mur.

La proximité de l’utilisation permet de réduire la longueur destuyauteries.

L’accessibilité aux divers postes (distribution d’eau, ventilation)doit être possible dans de bonnes conditions de sécurité.

4.3.2 Bruit

Selon son implantation, le réfrigérant peut être normal ousilencieux ; 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 ventilationn’est pas la seule source de bruit. L’eau tombant dans le bassinémet elle-même des sons importants pouvant atteindre 85 dBA.

Un réfrigérant est considéré comme bruyant lorsque le niveau depression sonore dépasse 85 dBA à 1 m de l’entrée d’air et à mi-hauteur de cette dernière. Il est silencieux au-dessous de 75 dBA.

Le bruit des ventilateurs peut être réduit en adoptant des hélicesà pales larges tournant à faible vitesse périphérique. Cette vitesse

est de 60 m/s dans les appareils classiques mais elle peut êtreréduite jusqu’à 40 m/s. Il est en général inutile d’aller plus bas, lesbruits du réducteur, du moteur et de l’eau devenant alorsprépondérants.

Sur demande, le constructeur peut tracer une courbe du niveaude pression sonore du réfrigérant en fonction de la distance entrecelui-ci et l’observateur.

4.4 Bilan. Prix

4.4.1 Consommation d’eau et d’électricité

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

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 parévaporation.

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 carréde surface intérieure de réfrigérant ;

— à la pompe de circulation ; une valeur approchée est donnéepar la formule :

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 estrelativement rapide. Il faut, pour que le bilan soit complet, que tousles paramètres soient bien pris en compte. Un exemple (valablepour 1986) permet de mieux cerner le problème.

Exemple d’un utilisateur dont les besoins sont :Débit-volume d’eau......................................................1 000 m3 /h

Refroidissement ..........................................................de 35 à 25 oC

Température humide de l’air........................................20 oCTemps d’utilisation dans l’année..................................2 000 h

Prix de l’eau industrielle(prix moyen 1986) ....................................................1,5 F/m3

Prix de l’électricité (prix moyen 1986)..........................1,25 F/ kWh

Il existe deux possibilités.

Marche en circuit ouvert (eau perdue)

Volume d’eau annuel : 2 000 h × 1 000 m3 /h = 2 000 000 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 contraireà la législation (30 oC maximum).

Marche en circuit fermé (réfrigérant)

Le bilan fait apparaître des frais d’investissement et des frais defonctionnement.

Frais d’investissement :

— achat de réfrigérant (appareil livré monté)................... 650 000 F

— bassin en béton............................................................150 000 F

— pompes et tuyauteries .................................................250 000 F

— raccordements électriques et divers ...........................250 000 F

soit un total de 1 300 000 F

P q v H

27-------------=


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4.5 Quelques chiffres

On veut quelquefois connaître l’influence de certains paramètressur l’encombrement et le prix d'un réfrigérant industriel lorsquel’on possède déjà l’étude d’un constructeur pour un appareildonné.

À condition de ne pas trop s'écarter des conditions initiales, les

formules ci-après permettent de prédéterminer la surface intérieuredu nouvel appareil avec une précision suffisante.

Les différentes variables sont :— le débit-volume d’eau : l'encombrement est proportionnel au

débit-volume :

avec q v débit-volume primitif,

nouveau débit-volume,

S surface intérieure primitive,

S ′ nouvelle surface intérieure ;— l’abaissement de température :

avec ∆T écart primitif,

∆T ′ nouvel écart.

Par exemple, à débit et approche constants, un réfrigérant ayantun écart de 15 oC au lieu de 10 oC aura une surface augmentée de14,5 % ;

— l'approche :

avec a approche primitive,

a ′ nouvelle approche.

Par exemple, à débit et écart constants, un réfrigérant donnantune eau refroidie à 23 oC au lieu de 25 oC pour de l’air humide à20 oC (approche 3 oC au lieu de 5 oC) aura une surface augmentéede 40 %. Cet exemple montre l’importance de la détermination del’approche lors de l’achat d’un réfrigérant.

Dans le cas de modification de plusieurs paramètres, on a :

Quelques exemples d’encombrement de réfrigérants industrielsà film et à gouttes, à ventilateur aspirant et pour des débits-volumesd’eau de 50, 500 et 3 000 m3 /h sont donnés dans le tableau 3.

4.6 Mise en service

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

4.6.1 Circulation d’eau

— Mettre la pompe de circulation d’eau en service, le débit-volume d’eau étant réglé à sa valeur nominale. Il est souhaitable detravailler sans élimination de calories.

— Faire le tour du réfrigérant et vérifier qu’il n’y a pas de fuitesd’eau au niveau de l’enveloppe, et principalement au droit desentrées d’eau.

— S’assurer que la répartition d’eau est correcte en soulevant leséléments de séparateur et en comparant les ajutages en début etfin de conduite. Ils doivent avoir sensiblement le même débit. Uneobservation de la pluie par les entrées d’air permettra de décelerles zones éventuellement mal alimentées (en l’absence de venti-lation, il est normal qu’une certaine quantité d’eau sorte par lesentrées d’air, principalement en présence de vent).


— Arrêter les pompes pour faire tourner les ventilateurs à secdans un premier temps.

— S’assurer avant la mise en route que le plein d’huile et que legraissage 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 donnantune impulsion au moteur. Ce contrôle est impératif. Si le réducteurest muni d’un antidévireur, la durée de l’impulsion doit alors êtreau maximum de 0,5 s pour ne pas endommager le mécanisme sile sens de rotation est mauvais.

— Faire tourner le ventilateur pendant quelques secondes

jusqu’à ce qu’il atteigne sa vitesse normale. Si aucune vibrationanormale n’apparaît, poursuivre la marche pendant au moins uneheure. Relever la puissance absorbée en début de marche et aprèsune heure (l’air véhiculé étant de l’air froid, la puissance absorbéedu ventilateur aspirant peut être supérieure de 10 à 15 % à lapuissance nominale, ceci d’autant plus que le réducteur n’est pasrodé et que l’huile est froide. En cas de dépassement plusimportant de puissance, le calage des pales devra être modifié).

Si tout est en ordre côté eau et côté air, il faut faire fonctionnerle réfrigérant avec la pompe et le ventilateur en service. Les sortiesd’eau par les entrées d’air doivent alors être négligeables si lavitesse du vent est normale (inférieure à 4 m/s).

(0)

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

Le gain par heure est de :

1 600 – 375 = 1 225 F

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 :

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

2 000 1 600 375–( )×

12

------------------------------------------------------------

200 000 F≈

S ′

S -------

q ′v q v ----------=

q ′v

S ′

S

-------

∆T ′

∆T

------------

1/3=

S ′S -------- a a ′-------

2/3=

S ′S ------- q

′v q v ---------- ∆T ′

∆T ------------1/3× a a ′-------

2/ 3×=


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4.7 Réception

Les normes d’essai réception des réfrigérants atmosphériquessont les normes AFNOR suivantes :

X 10-251 12-74 Essais (classe A) sur site pour tours de grandepuissance.

X 10-252 12-80 Essais (classe B) sur site simplifiés pour tours depuissance moyenne.

X 10-253 12-80 Essais en plate-forme pour réfrigérants sur cata-logue (réfrigérants monoblocs).

La norme X 10-252 correspond donc directement aux réfrigérantsindustriels. Son application est toutefois encore relativement lourdeet 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 deventilation, il ne doit pas apparaître de vibrations anormales auniveau du groupe lui-même ainsi qu’au niveau de la charpente. Letaux de vibration admissible, fonction de la vitesse de rotation del’hélice, est fourni par le constructeur.

—

Bruit

: lorsqu’une garantie a été demandée au constructeur, lamesure se fait à mi-hauteur de l’entrée d’air et à 1 m de celle-ci. Leniveau de pression sonore ne doit pas dépasser celui garanti, latolérance habituelle étant de 3 dBA (par rapport à la valeur garantiequi peut, selon les cas, se situer entre 75 et 85 dBA).

—

Hydraulique

: la distribution d’eau doit être homogène surtoute la section du réfrigérant. Si le système de répartition est souspression, cette dernière doit être vérifiée dans l’axe de l’arrivée auréfrigérant au moyen d’un manomètre. Une tolérance de ±

0,05 barest admise.

—

Électrique

: les ventilateurs ont un calage des pales réglableà l’arrêt. Le calage idéal est pratiquement impossible à réaliser etl’on admet une tolérance de ±

10 % sur la puissance garantie. Il ne

faut pas oublier de corriger la puissance relevée en fonction de lamasse volumique de l’air ; en cas de dépassement, le calage despales est à reprendre par le constructeur.

—

Thermique

: la température d’eau refroidie est, sauf stipulationcontraire, garantie avec une tolérance de ±

1 o

C tenant compte en

particulier des erreurs de mesure. Le constructeur doit fournir une

courbe de fonctionnement

donnant la température d’eau refroidieen fonction de la température d’air humide, du débit-volume d’eauet de l’écart de température (figure 10

).

Si les conditions ci-dessous sont toutes réunies, l’essai peut êtreentrepris :

— 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 o

C ;— 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 estcependant essentiel de ne pas négliger les points ci-après si l’onveut conserver l’appareil en bon état de marche, et lui garder sesperformances d’origine pendant de nombreuses années. Unréfrigérant entretenu régulièrement doit assurer sa fonctionpendant au moins 10 ans et certains sont encore en parfait étataprès plus de 20 ans.

4.8.1 Bassin. Enveloppe. Toiture

Le bassin doit être nettoyé périodiquement de deux à six fois paran, la cadence étant fonction de l’environnement. Une attentionparticulière est à porter à la crépine sur la reprise d’eau et à larégulation de l’appoint.

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) 50 500 3 000Écart de température .................................... (

o

C) 5 10 15Température de l’eau refroidie .................... (

o

C) 25 27 30Puissance absorbée par le ventilateur........(kW) 2,5 20 110Largeur intérieure A ....................................... (m) 1,50 5,00 12,50Longueur intérieure B .................................... (m) 2,00 6,25 13,75Hauteur de l’arrivée d’eau C.......................... (m) 3,00 3,75 5,75Hauteur de l’enveloppe H .............................. (m) 4,00 5,75 8,50Diamètre du ventilateur ∅

V .......................... (m) 1,20 3,70 8,50

Surface d’échange À gouttes

Type

IV V VI

Débit-volume .............................................(m

3

/h) 50 500 3 000Écart de température .................................... (

o

C) 5 10 15Température de l’eau refroidie .................... (

o

C) 25 27 30Puissance absorbée par le ventilateur........ (kW) 3 23 115

Largeur intérieure A ....................................... (m) 2,10 6,60 14,40Longueur intérieure B .................................... (m) 2,10 6,60 14,40Hauteur de l’arrivée d’eau C.......................... (m) 5,00 6,75 9,50Hauteur de l’enveloppe H .............................. (m) 6,25 9,00 12,30Diamètre du ventilateur ∅

V .......................... (m) 1,40 4,25 8,50

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

C.


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Les fuites d’eau au bardage sont à boucher au moyen de masticpolyester.

En cas de vibration de la charpente ou de la virole, il faut resserrerles boulons, ceci étant particulièrement utile pendant les premiersmois de fonctionnement et après un arrêt prolongé.

Il faut également repeindre avec une peinture bitumineuse lesparties métalliques après un brossage soigné, s’il y a apparition derouille.

4.8.2 Distribution d’eau

Une inspection est nécessaire en moyenne tous les six mois : ilfaut déboucher les ajutages ou les gicleurs si nécessaire, nettoyerles auges et les rigoles et remettre en place les éléments duséparateur de gouttes qui auraient pu se déplacer.

Une augmentation anormale de la température d’eau refroidiecorrespond très souvent à une mauvaise répartition d'eau

.


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

4.8.4 Moto-ventilateurs

Ce matériel doit être entretenu périodiquement.

—

Moteur

: les graissages se font selon les prescriptions duconstructeur (périodicité, caractéristiques des graisses).

—

Réducteur

: la vidange se fait également selon la notice duconstructeur. Elle a lieu en général la première fois après 300 h demarche et ensuite toutes les 2 500 h et il faut, au moins une foispar an, procéder au graissage des roulements et vérifier que lamise 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 està vérifier une fois par mois et si une ou plusieurs courroies sontdéfectueuses, il faut changer tout le lot.

—

Ventilateur

: après 100 h de marche, le calage des pales est àcontrôler ainsi que le serrage des boulons de fixation. Cetteopération est à renouveler ensuite tous les ans.

Le jeu entre bout de pale et virole ne doit pas varier, sinon legroupe est à recentrer, et la boulonnerie du châssis et éventuel-lement de la virole est à resserrer.

4.8.5 Traitement des eaux

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 lesalgues, les dépôts de sels calcaires ou autres et l’attaque des boispar la pourriture.

Pour le circuit extérieur, il comprendra un inhibiteur de corrosionet une régulation du pH. La protection des circuits peut se faire auniveau de l’appoint ou par injection dans le circuit d’eau.

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


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4.8.6 Fonctionnement en hiver

Le fonctionnement en hiver, par température inférieure à 0 o

C,pose un certain nombre de problèmes. Il ne faut pas que lesformations de glace inévitables prennent une importance tropgrande pouvant entraîner des ruptures de pièces de charpente.

Si le réfrigérant possède des moteurs à deux vitesses, il fautpasser en petite vitesse lorsque la température de l’eau refroidiedescend au-dessous de 8 o

C.

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 réfrigérantmonobloc qui comprend au moins les éléments suivants.

Le bassin de réception d’eau refroidie

est réalisé le plus souventen acier ou en polyester armé. Il est muni des accessoiresnécessaires à son fonctionnement et à son raccordement :

— une reprise d’eau refroidie avec crépine à grosse maille (sortiepar un tube et raccordement extérieur par une bride normalisée ouun filetage) ;

— une arrivée d’eau d'appoint avec régulation par robinet àflotteur ;

— un trop-plein avec fuite permanente contrôlée pourdéconcentration ;

— éventuellement, des résistances chauffantes pour l'hiver etune prise de température d’eau refroidie permettant d'assurer larégulation de cette température (§ 3.2.8.3).

L’

enveloppe

est également réalisée en acier ou en polyesterarmé ; à l’intérieur, sont placés les éléments d’échange, la distri-bution d’eau et le séparateur de gouttes. Le groupe de ventilationest placé soit en partie basse sur une face de l’enveloppe, soit enpartie haute en coiffant entièrement l’enveloppe. Dans ce derniercas, la partie basse de l’enveloppe comporte des entrées d’air surdeux ou quatre côtés munies éventuellement de persiennes(figure 7

).

Il faut porter une attention particulière à la réalisation du bassinet de l’enveloppe et à leur protection, car ces éléments en tôle ouen polyester armé conditionnent en grande partie la bonne tenuedans le temps du réfrigérant.

—

Éléments en tôle d’acier :

en raison des risques importants decorrosion dus à l’atmosphère à la fois humide et aérée, la tôle doitêtre soigneusement protégée. Les solutions suivantes donnent engénéral satisfaction :

• tôle noire sablée et revêtue de deux ou même trois couchesde peinture bitumineuse de bonne qualité (épaisseur moyenne dela peinture de 0,1 mm par couche) ;

• tôle galvanisée avec une épaisseur minimale de galvanisationde 40 µ

m ; en cas d’ensembles soudés, la galvanisation à chaudaprès fabrication est obligatoire ; une peinture intérieure de pro-tection appliquée sur la galvanisation, après préparation des sur-faces, améliore la tenue dans le temps, l'usure de la galvanisationsous l'effet du ruissellement de l'eau n'étant pas négligeable (del'ordre de 5 µ

m par an) ; des peintures spéciales sont à prévoir encas de circulation d’eau chargée ou agressive ;

• tôle en acier inoxydable 18-8 ou mieux 18-10 ; cette solutiononéreuse est réservée à certains cas particuliers d’eau decirculation particulièrement corrosive.

— Éléments en polyester armé :

cette solution donne satisfactiondans la plupart des cas et permet de réduire considérablement lesfrais d’entretien. Il faut toutefois savoir que la fibre de verre estsensible à l’humidité et que la qualité du polyester doit être choisieen conséquence. De plus, ce dernier peut être attaqué par certainsproduits chimiques contenus dans l’eau.

Certains polyesters sont facilement inflammables, et unesolution métallique est à préférer lorsque l’installation se trouve enzone sensible.

Le système de distribution d'eau comprend en général unetuyauterie en métal ou en PVC avec une bride extérieure pour leraccordement à l’installation. Selon la dimension de la cellule, uneou plusieurs tuyauteries secondaires sont disposées au-dessus dela zone d’échange. Elles sont munies de buses de pulvérisationadaptées 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 partiehaute (ventilateur aspirant). On utilise aussi quelquefois un venti-lateur centrifuge placé en partie basse du réfrigérant (appareil àfonctionnement silencieux). Les avantages et inconvénients de cessystèmes sont donnés dans les paragraphes 3.1.4 et 3.2.7.

Figure 11 – Réfrigérant monobloc


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5.2 Achat et réception

Les critères d’achat d’un réfrigérant industriel (§ 4) sontapplicables au réfrigérant monobloc. Les problèmes de raccor-dements hydrauliques et électriques seront à examiner

soigneusement.Toujours sur catalogue, le constructeur donne une sélection de

réfrigérants dont le dimensionnement est fonction des besoins del’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’essaisen plate-forme, si possible par un organisme officiel, le CentreTechnique Industriel Aéraulique et Thermique (CETIAT) parexemple, en respectant la norme AFNOR X 10-253 (§ 4.7).

Il n’est en général pas prévu d’essais particuliers sur site sauf encas de demande spéciale de l’acheteur (à préciser à la commande).

La durée de garantie ne peut être inférieure à un an.

6. Conclusion

L’achat d’un réfrigérant atmosphérique industriel est uneopération 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 besoinsprésents et futurs afin de ménager des possibilités d’agrandis-sement lors de la construction initiale.

Le tableau 4 donne, à titre d'exemple, les caractéristiquesmoyennes des réfrigérants atmosphériques utilisés dans l’industrie.

L’entretien du réfrigérant est simple, mais ne doit pas pour celaêtre négligé. Il est recommandé, dès l’acquisition de l’appareil, dese créer un programme de vérifications périodiques qui, bienmenées, permettront d’assurer un fonctionnement satisfaisantpendant de nombreuses années. (0)

Tableau 4 – Exemples de caractéristiques moyennes de réfrigérants atmosphériques utilisés dans l’industrie (1)

Utilisateurs de réfrigérantsType de

réfrigérant(2)

Surfaced’échange

(3)

Caractéristiques de l’airprises en référence Caractéristiques de l’eau à refroidir

ObservationsAir sec(oC)

Air humide(oC)

Humidité(%)

Approche(oC)

Eau refroidie(oC)

Eau chaude(oC)

Écart(oC)

Production électricité classique...................... I F, G 11 9 78 13 22 30 à 35 8 à 13 100 m3 d’eau/h/MW

Conditionnement d’air........................................ I, M F 30 22 50 3 25 30 à 35 5 à 10 Approche la plus faible possibleSucreries.............................................................. I G 20 15 60 10 à 15 25 à 30 40 à 50 15 à 20 ≈ 5 m3 /h d’eau pour 1 t

de betteraves par heure

Refroidissement de moteur thermique ........... I, M F, G 25 20 65 15 35 45 à 55 10 à 20Refroidissement machines à injecter ............. M F 30 22 50 3 à 5 25 à 27 30 à 35 5 à10

Sidérurgie............................................................. I G 20 15 60 10 à 15 25 à 30 35 à 50 10 à 20

Raffineries............................................................ I F, G 25 20 65 5 à 10 25 à 30 35 à 40 10 à 15

Industrie (en général) ........................................ I, M F 25 à 30 20 à 22 50 à 60 3 à 5 23 à 27 30 à 40 7 à 13

(1) 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 précautionscar, 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.


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POUR

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PL

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Réfrigérants atmosphériques

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

Constructeurs de réfrigérants atmosphériques

Constructeurs présents sur le marché françaisAir traitement (Sté Nouvelle).Alsthom SCAM.Baltimore Air Coil (BAC).

Brochot (Éts).CCR Sulzer.Hamon (Sté).

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

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