Comprendre les bases du transfert de chaleur des tours de refroidissement

Les préoccupations environnementales concernant la protection des créatures aquatiques à la fois à l'entrée et à la sortie des systèmes à passage unique ont essentiellement éliminé le refroidissement à passage unique pour les usines modernes. Mais ce développement intervient à un moment où bon nombre des nouvelles centrales à cycle combiné, et d'autres installations d'ailleurs, sont occupées par des personnes nouvelles dans l'industrie. La compréhension fondamentale est essentielle.

Le refroidissement à passage unique était une caractéristique de conception courante pour les grandes centrales électriques au siècle dernier, car le processus pouvait fournir efficacement les volumes élevés d'eau nécessaires à la condensation de la vapeur d'échappement de la turbine et au refroidissement de l'échangeur de chaleur auxiliaire. Cependant, les préoccupations environnementales concernant la protection des créatures aquatiques à la fois à l'entrée et à la sortie des systèmes à passage unique ont essentiellement éliminé le refroidissement à passage unique pour les usines modernes.

Désormais, les tours de refroidissement, ou certaines variantes de celles-ci, telles que les refroidisseurs d'air à surface humide (WSAC®) ou même les condenseurs refroidis par air, sont la norme. Mais ce développement intervient à un moment où bon nombre des nouvelles centrales à cycle combiné, et d'autres installations d'ailleurs, sont occupées par des personnes nouvelles dans l'industrie. Une compréhension fondamentale est essentielle pour le bon fonctionnement de l'eau de refroidissement et d'autres systèmes.

Bases de la tour de refroidissement

Aux fins de cette discussion, nous nous concentrerons sur la tour de refroidissement industrielle la plus courante, comme illustré ci-dessous.

Figure 1. Schéma d'une cellule d'une tour de refroidissement à contre-courant et à tirage induit. Source : Post, R. et B. Buecker, « Fondamentaux de l'eau de refroidissement des centrales électriques » ; séminaire pré-conférence au 37th Annual Electric Utility Chemistry Workshop, 6-8 juin 2017, Champaign, Illinois. Pour en savoir plus sur les futurs EUCW, veuillez consulter le site Web, www.conferences.illinois.edu/eucw

Comme l'illustre la figure, les effluents chauds des échangeurs de chaleur de l'usine pénètrent dans la tour et sont pulvérisés sur le remplissage de la tour de refroidissement. L'air pénètre dans la partie inférieure de la tour et entre en contact avec l'eau à contre-courant pour aider à maximiser le transfert de chaleur. L'eau refroidie est collectée dans un puisard pour être renvoyée vers les échangeurs de chaleur, tandis que l'air chaud s'échappe dans l'atmosphère.

Un élément clé des tours de refroidissement est le matériau de remplissage, qui aide en outre à maximiser le contact air/eau. Vous trouverez ci-dessous deux types, le remplissage anti-éclaboussures moderne et le remplissage de film le plus efficace.

Figure 2. Remplissage par éclaboussures en plastique moderne. Photo gracieuseté de Brentwood Industries et Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Figure 3. Remplissage de film à cannelures croisées à haute efficacité. Photo gracieuseté de Brentwood Industries et Rich Aull de Richard Aull Cooling Tower Consulting, LLC.

Un certain nombre de choix intermédiaires sont disponibles, où la sélection dépend de la qualité projetée de l'eau de refroidissement et du potentiel d'encrassement dans les médias, dont l'auteur traitera dans un futur article pour Power Engineering.

La section suivante examine les principes fondamentaux du transfert de chaleur dans une tour de refroidissement.

Quelques calculs de transfert de chaleur de base

La figure 4 illustre les conditions réelles pouvant être observées dans une tour de refroidissement fonctionnant par une douce journée de printemps.

Figure 4. Exemple d'un ensemble de conditions réelles pour une tour de refroidissement. Source : Potter, MC et CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers ; McGraw-Hill, New York, NY, 1993.

Notez que l'humidité relative (HR) de l'air d'admission est de 50 %, tandis que l'humidité relative de l'échappement de la tour est de près de 100 %. Ces données aident à illustrer que la principale méthode de transfert de chaleur dans une tour de refroidissement se fait par évaporation de ce qui est généralement une petite fraction (2 à 3 %) de l'eau de recirculation. Alors que les mathématiques de la conception de l'écoulement de la tour de refroidissement peuvent être quelque peu complexes, plusieurs équations simples ont été développées pour approximer directement les flux d'évaporation, de purge et d'appoint vers une tour de refroidissement.

La formule standard pour l'évaporation est,

E = (f * R * DDT)/1000, où Eq. 1

E = Évaporation en gpm

R = taux de recirculation en gpm

DT = Différence de température (plage) entre l'eau de circulation chaude et refroidie (oF)

¦ = Un facteur de correction qui aide à tenir compte du transfert de chaleur sensible, où ¦ varie généralement entre 0,65 et 0,90, et qui augmente en été et diminue en hiver

Le facteur de 1 000 est une bonne approximation de la chaleur latente de vaporisation (Btu/lb) de l'eau dans les conditions ambiantes. D'après certains travaux antérieurs effectués par l'auteur, ¦ pour l'exemple de la figure 2 calcule à 0,78. Ainsi, le taux d'évaporation pour cet exemple, avec un débit de recirculation de 150 000 gpm et une plage de 27o F, est de 3 159 gpm.

Un concept très important pour comprendre le transfert de chaleur des tours de refroidissement est celui de la température de «bulbe humide», qui est la température la plus basse pouvant être atteinte par le refroidissement par évaporation. À moins que l'humidité relative ne soit de 100 %, la température de bulbe humide sera toujours inférieure à la température ambiante ou « bulbe sec ». Ainsi, les tours de refroidissement peuvent pratiquement toujours refroidir l'eau en circulation à une température inférieure à celle des ACC. Dans l'exemple de la figure 2, la température du bulbe humide à l'air d'admission de 68 oF et 50 % d'humidité relative est proche de 57 oF, de sorte que l'approche du bulbe humide pour cet exemple est de 77 o - 57 o = 20 o F. Avec des tours de refroidissement modernes et bien conçues , des températures d'approche plus basses sont tout à fait possibles.

Cycles de concentration et impacts sur la qualité de l'eau

L'évaporation fait augmenter la concentration des solides dissous et en suspension dans l'eau de refroidissement. Ce facteur de concentration est (logiquement) appelé les cycles de concentration (C ou COC). Le C, ou peut-être plus précisément le C admissible, varie d'une tour à l'autre en fonction de plusieurs facteurs, notamment la chimie de l'eau d'appoint (MU), l'efficacité des programmes de traitement chimique et les restrictions potentielles sur les quantités d'appoint ou de rejet. L'équation algébrique pour le calcul des cycles de concentration est :

C = MU/BD éq. 2

La comparaison des concentrations d'un ion commun tel que le chlorure ou le magnésium dans l'eau d'appoint et de recirculation déterminera les cycles de concentration, mais commun dans le domaine pour calculer C est la mesure en ligne de la purge (BD) et de l'appoint (MU) spécifique conductivités. Les mesures permettent un réglage instantané de la purge pour maintenir la valeur C souhaitée. Dans tous les cas, les cycles de concentration ont un point limite, où de nouvelles augmentations peuvent entraîner des problèmes d'entartrage ou de corrosion dans le système de refroidissement, même avec un bon traitement chimique.

Le rapport de la purge à l'évaporation est défini par l'équation suivante :

BD = E/(C — 1) Éq. 3

Outre la purge, une partie de l'eau s'échappe également du processus sous forme de fines gouttelettes d'humidité dans l'échappement du ventilateur de la tour de refroidissement. Cette perte d'eau est connue sous le nom de dérive (D). Les éliminateurs de buée modernes peuvent réduire la dérive à 0,0005 % du taux de recirculation, et Brentwood Industries a sorti une conception qui atteint un taux de dérive de 0,00025 %. Les fuites dans le système de refroidissement sont appelées pertes (L). L'équation suivante montre la relation entre l'appoint et l'évaporation, la purge, la dérive et toute autre perte.

MU = E + BD + D + L Éq. 4

Avec une tour bien conçue et exploitée, les deux derniers termes sont négligeables, de sorte que les besoins en eau de la tour sont essentiellement des fonctions d'évaporation et de purge. Revenant à l'équation 3, la figure ci-dessous illustre la relation entre le taux de purge et les cycles de concentration pour la tour illustrée à la figure 2.

Figure 5. Blowdown vs cycles de concentration.

Comme il est clairement évident, la courbe est asymptotique et la réduction de la purge à des cycles plus élevés chute considérablement avec l'augmentation de C. L'auteur a vu plus d'un ensemble de spécifications où les ingénieurs de conception ont sélectionné des cycles de concentration élevés, apparemment sans égard. aux avantages minimes d'économies d'eau qui en découlent. Ce qui se produit, ce sont des défis considérablement accrus concernant la chimie du traitement de l'eau en raison de la forte concentration d'impuretés induisant du tartre et de la corrosion.

À propos de l'auteur : Brad Buecker est publiciste technique principal chez ChemTreat. Il a 35 ans d'expérience dans l'industrie de l'énergie ou dans le secteur de l'énergie, dont une grande partie dans la chimie de la production de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et les postes d'ingénierie des résultats chez City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et Kansas City Power & La station de La Cygne, Kansas de la Light Company. Il a également passé deux ans comme superviseur par intérim de l'eau et des eaux usées dans une usine chimique. Plus récemment, il était spécialiste technique chez Kiewit Engineering Group Inc. Buecker est titulaire d'un baccalauréat en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en bilans énergétiques et matériaux et en chimie inorganique avancée. Il est membre de l'American Chemical Society, de l'American Institute of Chemical Engineers, de l'American Society of Mechanical Engineers, de l'Association of Iron and Steel Technology, du Cooling Technology Institute (via une adhésion corporative), de la National Association of Corrosion Engineers, de l'Electric Utility Chemistry Workshop planning comité, le comité de chimie des centrales électriques et de l'environnement parrainé par l'EPRI et le comité de planification de Power-Gen International. Buecker est l'auteur de nombreux articles et de trois livres sur des sujets liés aux centrales électriques et à la chimie de l'eau et de la vapeur. Il peut être contacté à [email protected].