Qu'est-ce qu'une tour de refroidissement à tirage naturel

Une tour de refroidissement à tirage naturel est un type d'échangeur de chaleur qui refroidit l'eau par contact direct avec l'air. Elle est utilisée dans les centrales électriques, les raffineries de pétrole, les usines pétrochimiques et les usines de gaz naturel pour éliminer l'excès de chaleur du système de circulation d'eau. Une tour de refroidissement à tirage naturel repose sur le principe de la circulation convective pour fournir la circulation d'air, sans besoin de ventilateurs ou d'autres dispositifs mécaniques. La circulation d'air est entraînée par la différence de densité entre l'air chaud et humide à l'intérieur de la tour et l'air ambiant plus froid et sec à l'extérieur de la tour.

Comment fonctionne une tour de refroidissement à tirage naturel ?

Le principe de fonctionnement de base d'une tour de refroidissement à tirage naturel est illustré dans le diagramme suivant :

Les principaux composants d'une tour de refroidissement à tirage naturel sont :

• Entrée d'eau chaude : C'est là que l'eau chaude provenant du système ou du condenseur entre dans la tour en haut. L'entrée d'eau chaude est connectée à une série de buses qui pulvérisent l'eau sur le matériau de remplissage.

• Matériau de remplissage : Il s'agit d'un matériau poreux qui fournit une grande surface pour le transfert de chaleur entre l'eau et l'air. Le matériau de remplissage peut être en bois, en plastique, en métal ou en céramique. Le matériau de remplissage peut être disposé de différentes manières, comme des barres de projection, des grilles ou des paquets de film.

• Bassin d'eau froide : C'est là que l'eau refroidie s'accumule au fond de la tour. Le bassin d'eau froide dispose d'une vanne de vidange et d'une pompe qui recirculent l'eau vers le système ou le condenseur.

• Entrée d'air : C'est là que l'air frais entre dans la tour à la base. L'entrée d'air peut être ouverte ou fermée, selon la conception de la tour.

• Sortie d'air : C'est là que l'air chaud et humide sort de la tour en haut. La sortie d'air peut avoir un diffuseur ou une cheminée pour améliorer la circulation d'air.

Le processus de refroidissement de l'eau dans une tour de refroidissement à tirage naturel implique deux mécanismes principaux : le transfert de chaleur sensible et le transfert de chaleur latente.

• Transfert de chaleur sensible : C'est lorsque la chaleur est transférée de l'eau chaude à l'air froid par contact direct. En conséquence, la température des deux fluides change, mais pas leur phase. Le transfert de chaleur sensible dépend de facteurs tels que la différence de température, le débit et la surface de contact.

• Transfert de chaleur latente : C'est lorsque la chaleur est transférée de l'eau chaude à l'air froid par évaporation. En conséquence, une partie de l'eau change de phase, passant de liquide à vapeur, tout en absorbant de la chaleur de son environnement. Le transfert de chaleur latente dépend de facteurs tels que le rapport d'humidité, la pression de vapeur et le coefficient de transfert de masse.

La combinaison du transfert de chaleur sensible et latente refroidit l'eau et chauffe l'air. L'eau refroidie tombe dans le bassin d'eau froide, tandis que l'air chauffé monte vers la sortie d'air en raison de la poussée d'Archimède. L'effet de poussée crée un tirage naturel qui attire plus d'air frais à l'entrée d'air, créant ainsi un cycle continu de refroidissement.

Quels sont les types de tours de refroidissement à tirage naturel ?

Les tours de refroidissement à tirage naturel peuvent être classées en deux types en fonction de leur configuration :

• Tours de refroidissement à tirage naturel contre-courant : Dans ces tours, l'eau coule vers le bas, et l'air monte en directions opposées. Cela permet une différence de température plus élevée et une efficacité de refroidissement supérieure. Cependant, ces tours nécessitent plus de hauteur et plus de buses de pulvérisation que les tours en flux croisé.

• Tours de refroidissement à tirage naturel en flux croisé : Dans ces tours, l'eau coule vers le bas, et l'air circule horizontalement en directions perpendiculaires. Cela permet une hauteur inférieure et moins de buses de pulvérisation que les tours contre-courant. Cependant, ces tours ont une différence de température inférieure et une efficacité de refroidissement moindre que les tours contre-courant.

Le tableau suivant résume certains des avantages et inconvénients de chaque type :

| Flux croisé | Hauteur inférieure Coût inférieur Moins de buses de pulvérisation Moins susceptible de tartre | Différence de température inférieure Efficacité de refroidissement inférieure Distribution de l'eau moins bonne Plus susceptible de geler |

La figure suivante montre la différence entre les tours de refroidissement à tirage naturel contre-courant et en flux croisé :

Quelles sont les applications des tours de refroidissement à tirage naturel ?

Les tours de refroidissement à tirage naturel sont généralement préférées pour les applications qui nécessitent :

• Une capacité de refroidissement importante et constante sur de nombreuses années

• Des coûts d'exploitation et de maintenance faibles

• Un niveau de bruit et une consommation d'énergie faibles

• Une forte résistance aux charges de vent et à la corrosion

Voici quelques exemples d'applications qui utilisent des tours de refroidissement à tirage naturel :

• Centrales thermiques qui utilisent du charbon, du pétrole, du gaz ou du combustible nucléaire pour produire de l'électricité

• Raffineries de pétrole qui traitent le pétrole brut en divers produits tels que l'essence, le diesel, le carburant pour avions, etc.

• Usines pétrochimiques qui produisent des produits chimiques à partir de matières premières pétrolières ou gazières

• Usines de gaz naturel qui traitent le gaz naturel en gaz naturel liquéfié (GNL), en gaz naturel comprimé (GNC) ou en autres produits

Quels sont les avantages et inconvénients des tours de refroidissement à tirage naturel ?

Parmi les avantages des tours de refroidissement à tirage naturel, on trouve :

• Elles ne nécessitent pas de ventilateurs ou d'autres dispositifs mécaniques pour induire la circulation d'air, ce qui économise de l'énergie et réduit le bruit

• Elles ont des coûts d'exploitation et de maintenance faibles, car elles ont moins de pièces mobiles et moins d'usure

• Elles ont des pertes de système faibles, car elles perdent moins de 1% du débit total d'eau par évaporation

• Elles ont une capacité de refroidissement importante, car elles peuvent gérer de grands débits d'eau

• Elles n'ont pas de recyclage d'air, car elles ont une sortie de conduit haute qui empêche l'air chaud de réentrer dans la tour

Parmi les inconvénients des tours de refroidissement à tirage naturel, on trouve :

• Elles nécessitent un investissement initial important, car elles sont coûteuses à construire et à installer

• Elles nécessitent une grande superficie, car elles ont une base large et une hauteur élevée

• Il est difficile d'obtenir l'aut