Aéroréfrigérant

      

Un aéroréfrigérant est un cas particulier des échangeurs de chaleur. Il est composé d'une surface d'échange et d'un moyen de ventilation. C'est un dispositif permettant d’étendre de l'énergie thermique d'un fluide interne vers l'air extérieur.

Qu’est-ce qu’un aéroréfrigérant ou tour de refroidissement ?

Un aéroréfrigérant ou tour de refroidissement est un système servant à transférer de l'énergie thermique du fluide interne vers l'air extérieur.

Il permet d’évacuer les rejets thermiques des centrales thermiques ou des installations frigorifiques sans engendrer une pollution des rivières.

L'aéroréfrigérant se compose d'une surface d'échange et d'un moyen de ventilation. Le fluide à refroidir passant dans des tubes et l'air extérieur passant autour des tubes qui sont pourvus d'ailettes pour augmenter le coefficient d'échange thermique. 

La technologie trouve une grande utilité en climatisation pour réduire la chaleur qui se dégage des condensateurs des groupes frigorifiques eau/eau.

Une tour de refroidissement est un système de refroidissement d’eau conçu pour être employé dans un circuit fermé. Mieux adaptée aux puissances frigorifiques élevées, la tour de refroidissement permet d’obtenir une meilleure efficacité énergétique mesurée à d’autres équipements semblables (condenseurs à air, aéroréfrigérants secs, drycoolers, …).

L’efficacité énergétique exprime le rapport entre les performances du dispositif et sa consommation en énergie. Moins l’appareil consomme pour le même confort thermique, meilleur sera le résultat en termes d’efficacité énergétique.

Aéroréfrigérant et vocabulaire en fonction du fluide et de la méthode d'échange de chaleur

• L’aérocondenseur quand le fluide est de la vapeur d'eau que l'on condense à travers des tubes à ailettes. Les ailettes ont le rôle d'accroître la surface d'échange. On rencontre notamment les aérocondenseurs dans la production d'électricité.

• La tour de refroidissement si le fluide est en contact direct avec l'air extérieur (l'échange de chaleur ne passe alors pas à travers un tube). On rencontre les tours de refroidissement dans la climatisation, l’industrie et la production d'électricité.

• L’air-cooler si le fluide ne peut pas être en contact direct avec l'air extérieur et l'échange de chaleur circule à travers un tube. On utilise par exemple, un air-cooler pour refroidir l'eau d'un circuit de refroidissement d'un moteur thermique. On opère cette méthode pour refroidir un liquide (eau glycolée, eau, fioul, huile, …) ou pour condenser et refroidir un gaz (gaz frigorigènes : R22, R134A, R404A, R407C, R410A, R717 (NH3), R502, etc, …).

Dans les aéroréfrigérants, le flux d'air est couramment assuré par un groupe moto-ventilateur, c’est alors le tirage forcé ou induit. On utilise, dans un certain cas particulier, la différence de densité de l'air pour générer un tirage naturel, c'est le cas typique des tours de refroidissement à structure hyperboloïde ou des radiateurs.

Quel régime de refroidissement choisir pour son aéroréfrigérant ?

Parmi les trois régimes de refroidissement, il convient aussi de bien choisir son aéroréfrigérant.

1. Le refroidissement sec : certaines tours de refroidissement manœuvrent sans ruissellement d’eau. Les ventilateurs intégrés fonctionnent en « marche forcée » pour faire diminuer la température de l’eau plus chaude que l’air qui se déplace à travers l’échangeur (horizontal ou vertical). L’aéroréfrigérant sec présente l’atout de ne laisser aucun agrégat d’eau et de salissures. Son utilisation élimine les risques de formation de légionellose. L’inconvénient avec cette tour réside toutefois dans son résultat insatisfaisant en termes de rendement d’échange. La température d’eau refroidie ne baisse jamais au-delà de celle de l’air extérieur. 
2. Le régime de refroidissement humide : les aéroréfrigérants fonctionnant sous ce régime sont fabriqués à base d’un caisson en acier traité anticorrosion. Une conduite transfère l’eau à refroidir dans la tour. Parvenue à une certaine hauteur, celle-ci descend sous l’effet de gravitation jusqu’au fond de la tour et se transforme en gouttelettes. Des ventilateurs (simple tirage naturel ou tirage forcé) œuvrent en parallèle pour faire traverser l’air en montée. La partie de l’eau qui s’évapore est rejetée. 
3. Le régime de refroidissement hybride : les aéroréfrigérants hybrides associent les avantages d’une tour de refroidissement sec et humide par mécanisme d’aspersion des surfaces d’échange. Un automatisme permet de diriger le rendement et le fonctionnement interne afin d’une meilleure efficacité énergétique et d’une condition sanitaire éco-responsable.

Quels sont les critères pour bien choisir son aéroréfrigérant ?

- La résistance anti-encrassement : l’encrassement est responsable de la défectuosité rapide de vos équipements. Il faudra opter dans ce cas pour des tours de refroidissement fonctionnant à base de tubes à ailettes en alu extrudé. Cela évitera l’air d’infiltrer dans les tubes et facilitera aussi le nettoyage par jets d’eau à haute pression sans risque d’endommagement.

- La longévité : pour garantir une plus longue durée de vie à la tour de refroidissement, il faudra opter pour celle conçue à base de tôles épaisses en acier peint galvanisé à chaud ou en acier inoxydable.

- Les performances aérauliques : pour garantir de meilleurs résultats en termes de ventilation, il faudra choisir des aéroréfrigérants équipés de groupes moto-ventilateurs performants et à très faible nuisance sonore.

- La sécurité : dans certaines zones industrielles à haut risque d’explosion la sécurité est une question capitale. Un grand choix d’aéroréfrigérants équipés de « moteurs anti-déflagration » est disponible, pour permettre dans ces milieux, une utilisation sécurisée des tours de refroidissement.

- L’économie d’énergie : pour garantir une meilleure efficacité énergétique, il faudra équiper l’aéroréfrigérant de moteurs à vitesse réglable. La modulation de puissances de refroidissement contribuera à réduire la consommation électrique sans restreindre la qualité de confort thermique recherchée. 

Le refroidissement évaporatif : principes et avantages

Nous nous efforçons tous de réduire le réchauffement de la planète et l’émission des gaz détruisant la couche d’ozone. La réduction de la production électrique, grâce à l’utilisation du refroidissement évaporatif, nous amène à un environnement plus sain. Le refroidissement évaporatif est basé sur un principe naturel simple. 
Dans une tour ouverte l’eau à refroidir est pulvérisée sur une surface de ruissellement alors que de l’air est soufflé ou aspiré au travers de cette surface de ruissellement. Une petite quantité d’eau est évaporée, provoquant ainsi le refroidissement de l’eau restante. Cette eau froide tombe dans le bac de la tour, et la chaleur est extraite par l’air sortant de la tour.

Les tours ainsi que les condenseurs évaporatifs sont un moyen efficace et peu onéreux pour évacuer la chaleur inutilisable des systèmes industriels. Le refroidissement évaporatif combine une efficacité thermique élevée, des prix attractifs, une température basse du fluide avec une consommation réduite d’énergie et d’eau.

Des températures basses sont essentielles pour beaucoup de systèmes de refroidissement afin d’atteindre des rendements élevés. Ceux-ci consomment moins d’énergie et permettent de réduire les émissions de CO2. C’est dans cette perspective que les systèmes de refroidissement évaporatif contribuent à préserver les ressources naturelles de l’environnement. Le refroidissement évaporatif utilise la température de bulbe humide de l’air ambiant, alors que les équipements de refroidissement à air sec dépendent de la température ambiante du bulbe sec. La température du bulbe humide est généralement de 8 à 12° inférieure à la température du bulbe sec et les tours de refroidissement ou condenseurs évaporatifs sont donc capables d’atteindre des températures de refroidissement ou de condensation au moins égales à la différence de température entre celle du bulbe sec et du bulbe humide.

Dans l'exemple d'un groupe frigorifique pour une installation de réfrigération industrielle de 1 050 kW, les consommations électriques du système pour différents cas de figure : condensation directe dans un condenseur évaporatif, condensation indirecte avec eau refroidie par tour de refroidissement ou condensation par air. Sachant que la puissance du compresseur est réduite approximativement de 3% pour chaque degré de température de condensation inférieure, il est aisé de constater que le compresseur, dans le cas d’une condensation par eau, permet des économies de l’ordre de 30 à 35% comparé à des systèmes à air sec. 

Dans cet exemple, le gain énergétique se chiffre donc à 129 kWh électriques, soit sur base annuelle une économie de plusieurs centaines de MWh !
Par ailleurs, les équipements de refroidissement évaporatif sont plus compacts et moins bruyants que les solutions alternatives à air sec, tandis que leurs coûts de fonctionnement sont inférieurs pour les installations de tailles moyennes et importantes.

On peut établir une comparaison, dans le cas d'un procédé industriel nécessitant par exemple un refroidissement de l'eau de 33°C à 27°C, pour une même puissance thermique de 1 050 kW. Au vu des températures demandées, l'utilisation d'une solution sèche est bien entendu impossible, mais aujourd'hui certains se tournent parfois vers l'utilisation de groupes frigorifiques.

Pour un procédé continu, le gain énergétique annuel offert par la tour s’élèvera donc à minimum 2 500 MWh (pour une tour fermée).

Ces exemples démontrent sans ambiguïté les avantages du refroidissement évaporatif. Utilisés depuis plus d’un demi-siècle, ces systèmes consomment peu d’énergie et permettent d’économiser plus de 95% de l’eau en circulation. Ils sont simples à utiliser et à entretenir.
De plus, grâce à leur haute efficacité énergétique, ces systèmes requièrent, pour leur implantation, un encombrement minimum au sol. Ils sont silencieux en comparaison d’autres solutions de rejet de chaleur. La fabrication, la mise en œuvre et la destruction des refroidisseurs évaporatifs ont un impact quasi nul sur l’environnement.
Toutefois les événements récents ont rendu l’opinion publique et les utilisateurs très soucieux du risque du développement de la bactérie Legionnella dans les systèmes de refroidissement évaporatif.

Tour de refroidissement et Légionellose

• Légionellose et les moyens de la prévenir

Bien que de rares cas de légionellose aient été associés à des systèmes de refroidissement évaporatif, lesquels n’étaient pas bien suivis ni entretenus, aucun cas de légionellose n’a pu être rattaché à un système qui était suivi correctement et disposant des éléments de contrôle de prolifération bactérienne nécessaires. Vu le degré de publicité généré par les cas de légionellose, l’existence du Guide des bonnes pratiques et l’expertise technique disponible sur le marché, il est regrettable de constater qu’aujourd’hui ces équipements peuvent être la source de risques potentiels, par ignorance des responsabilités et des obligations qui incombent à l’exploitant ou à l’utilisateur.

• Enchaînement des événements

Les cas de légionellose engendrés par une tour de refroidissement ou un condenseur évaporatif nécessitent l’enchaînement de quatre événements consécutifs décrits ci-dessous et ce, impérativement dans l’ordre indiqué. Si cette chaîne est interrompue, n’importe où, le risque de légionellose est évité.

Mais tous les maillons de la chaîne n’ont pas la même importance et tous ne peuvent pas être évités directement. Il est, par exemple, impossible d’empêcher la bactérie de la souche virulente Legionella Pneumophila d’arriver dans l’eau de refroidissement parce qu’elle est souvent présente en petites quantités dans l’eau d’appoint.
Il est également impossible d’éliminer totalement l’entraînement de gouttelettes ou d’empêcher que des personnes soient en contact avec cet aérosol. L’approche dynamique d’une action préventive est d’empêcher la prolifération bactérienne et en particulier de la Legionella Pneumophila. De cette façon, l’eau reste bactériologiquement inoffensive et l’aérosol, même inhalé par une personne à risque, ne sera pas dangereux.

• Concept du suivi préventif

Une approche de bonne pratique globale, ainsi que la mise en oeuvre de méthodes planifiées et systématiques de gestion de la qualité de l’eau et de maintenance du système, ont prouvé qu’elles permettaient de minimiser la possibilité de développement de la bactérie Legionnella et de prolonger ainsi la durée de vie de l’équipement sans risque de développement de corrosion ou de formation de tartre.
Les avantages énergétiques du refroidissement évaporatif peuvent être maintenus dans le temps mais des pertes de rendement peuvent être générées par des systèmes encrassés, entartrés ou présentant une pollution bactériologique. Ces facteurs ont en effet une incidence immédiate sur le rendement.
Avec la gestion du risque sanitaire, la mise en oeuvre d’une approche préventive globale et intégrée de qualité permet donc de pérenniser le fonctionnement du système de refroidissement et d’obtenir tout au long de l’année un fonctionnement optimal du processus industriel, une consommation minimale en eau et en énergie, d’éliminer le risque d’entartrage ou de corrosion, d’éliminer les arrêts inopinés et les actions curatives coûteuses et de prolonger la durée de vie des équipements. Un audit énergétique de l’installation permet souvent de mettre en avant les gains financiers pouvant être obtenus par la mise en œuvre d’un tel programme préventif de qualité.

• Légionellose et tour de refroidissement : compétences

Les cas de légionellose sont quasi invariablement associés à une mauvaise gestion, une mauvaise communication ou un manque de compréhension du suivi ou des risques. L’ensemble des acteurs associés dans la gestion, la définition ou le suivi des risques doivent être formés, compétents et conscients de leurs obligations.

• Tours de refroidissement, aéroréfrigérants : la rubrique 2921 expliquée

Une nouvelle législation traitant spécifiquement des tours de refroidissement a été votée et publiée pour application à partir du 30 Avril 2005. Cet article a pour but de vous aider à faire le point sur cette nouvelle législation et ses critères principaux qui auront une incidence pour tous les industriels, exploitants et professionnels.

• Les installations classées, révisions et corrections

Actuellement, seules les tours d'une installation dont le process était du ressort des installations classées (installations à compression) étaient théoriquement soumises à réglementation. La nouvelle législation a introduit une modification de la nomenclature des installations classées avec la création d'une rubrique spécifique relative aux équipements de refroidissement par dispersion d'eau dans un flux d'air, ce qui inclut les tours aéroréfrigérantes (TAR), mais également tout autre équipement de refroidissement associant un système de pulvérisation d'eau, de type "Dry adiabatique" et "Dry arrosé hybride". Il s'agit de la rubrique n° 2921.

• Autorisation ou déclaration ?

Celle-ci établit une distinction entre les tours à circuit ouvert et les tours à circuit fermé. Les tours à circuit ouvert de puissance évacuée supérieure ou égale à 2 000 kW par site seront soumises à autorisation. Les autres seront soumises à déclaration.

 Le Guide à télécharger