Des fabricants de nuages

Septembre 2007 : j’inaugure aujourd’hui ma rubrique « Industrie et Techniques » pour vous parler d’une technique de réfrigération et mettre un peu de lumière les réfrigérants atmosphériques.

Edit de Janvier 2018 : je vois toujours autant d’erreurs propagées dans des vidéos de vulgarisation, des journaux télévisés ou des articles de sites sur l’énergie destinés au grand public. Je désire contribuer à ce que mes concitoyens détiennent des infos justes. Je rajoute donc quelques détails à la première version de cet article.

Qu’est ce qu’un réfrigérant atmosphérique ou aéroréfrigérant ?

C’est une construction en béton en forme d’hyperboloïde qu’on peut souvent admirer, découvrir   aux abords des centrales thermiques ou nucléaires. Vous avez donc sûrement en tête cette construction bizarre, non ?

Qu’est ce donc qu’un hyperboloïde ? En maths, c’est une surface de révolution décrite par la rotation d’une hyperbole autour de son axe…cela ne vous avance peut-être pas !

Dans la cuisine, surtout dans les années 70, c’était ceci (ça existe encore, me semble-t-il).

A quoi cela sert-il ?

Tout d’abord, il ne s’agit pas (comme on pourrait le penser à la lecture de certains papiers) d’une cheminée d’usine crachant moultes polluants atmosphériques voire des particules radioactives…mais d’un gigantesque échangeur de chaleur (jusqu’à 170 m de haut pour les plus grosses tranches nucléaires) qui permet de refroidir une eau trop chaude.
Ce type d’installation est souvent utilisé par les centrales thermiques ou nucléaires sauf en bordure de mer ou de rivière (ces points d’eau remplacent alors le réfrigérant)… Néanmoins, même sur les côtes ou proche des rivières, des contraintes environnementales imposant aux exploitants de ne pas trop prélever dans les ressources en eau et surtout de ne pas rejeter des eaux trop chaudes (donc même en bordure de mer, nous voyons des réfrigérants).

Une conduite permet d’acheminer l’eau chaude à l’intérieur du réfrigérant tandis que l’air s’engouffre par le bas et passe sous la coque. L’eau circule alors dans des dispositifs de dispersion qui permettent d’éclater le débit en de nombreuses gouttelettes avant de passer sur le corps d’échange (air montant/eau descendant*) parfois appelés « Packings » ou « système de ruissellement » et de retomber en pluie dans une piscine ou un bassin d’eau.

Afin d’éviter d’entraîner les gouttelettes d’eau, des dispositifs dits « anti-primage » situés au-dessus de la zone d’échange sont prévus

*Il existe d’autres configurations de systèmes d’échange air/eau : l’air y circule horizontalement et les gouttes d’eau tombent par gravité : c’est dans ce cas un réfrigérant à courants croisés.

La forme particulière de cet échangeur permet de créer un tirage où l’air réchauffé au contact de l’eau chaude, monte (car moins dense que l’air froid) à l’intérieur de la coque du réfrigérant. En montant, il permet de créer une dépression favorable à l’évaporation d’une partie de l’eau à refroidir… Car c’est bien là le cœur du principe du réfrigérant : tout est mis en oeuvre pour favoriser l’évaporation de l’eau.

Le fait d’évaporer une partie de l’eau (ici c’est de l’ordre de 1% du débit d’eau qui circule), la refroidit (tout comme lorsqu’on souffle sur nos mains mouillées…cela donne une singulière sensation de froid !). Bien sûr, l’échange par convection avec l’air permet également de refroidir mais dans une bien moindre mesure. L’évaporation n’est donc pas un effet secondaire sur lequel il faut se lamenter, mais bien l’effet recherché pour refroidir absolument une eau trop chaude.

L’étape de dimensionnement du réfrigérant (qui tient compte également des conditions météo du site), permet d’optimiser cette « perte » par évaporation : elle est nécessaire pour refroidir (la convection ne suffisant pas) mais elle ne doit surtout pas être trop élevée pour éviter de faire trop d’appoint en eau.

NB : En hiver avec une température d’air de 0°C, la convection représente environ 40% de l’échange permettant le refroidissement.
En été, avec une température d’air de 25°C, l’évaporation représente environ 90% de l’échange permettant le refroidissement (10 % par convection).

D’où vient cette eau chaude à refroidir ?

Cette eau « trop chaude » vient d’un autre échangeur : le condenseur qui, comme son nom l’indique, permet de condenser la vapeur en sortie de la turbine à vapeur. Pour condenser la vapeur donc, de l’eau (la plus froide possible) passe dans un circuit de tubes : à l’extérieur, la vapeur s’y condense. L’énergie libérée par la condensation est récupérée par l’eau de circulation, qui s’échauffe donc d’une dizaine de degrés.

Mais que voit-on au-dessus du réfrigérant ? 

La vapeur d’eau formée (qui va saturer l’air qui l’emporte) s’échappe ainsi hors du réfrigérant par son sommet et lorsque le temps est humide ou lorsque l’air extérieur est saturé (voir l’article précédent sur les nuages), la vapeur se recondense en un panache qui n’est autre qu’un nuage… Dans le milieu industriel, on l’appelle « un panache ». Il est plus ou moins visible selon la température de l’air extérieur et son humidité : deux paramètres qui fixent la « température humide » de l’air. C’est la limite de récupération de chaleur d’un réfrigérant : l’eau chaude qui entre dans le réfrigérant pourra au mieux être refroidie jusqu’à cette température humide de l’air extérieur.

 

Alors, lorsque vous verrez un réfrigérant avec un beau nuage au-dessus, n’ayez pas peur de la pollution, il ne s’agit que d’eau (sous forme de gouttelettes…et non de vapeur).

Complément du 8/01/08 suite à la question relative aux débits mis en jeu

Pour avoir un ordre de grandeur voici quelques chiffres :
Pour une centrale de puissance 250 MW, compter un réfrigérant de taille 100m en hauteur, 70 m diamètre de base
Lorsque l’unité fonctionne à pleine charge : le débit d’eau de circulation (à refroidir donc) est de l’ordre de 30 000 m³/h, l’évaporation est de l’ordre de 350 m³/h.
Il faut donc compenser par un appoint, d’autant plus que des « purges » du circuit sont également nécessaires pour éviter la concentration en sels dissous d’augmenter vers des valeurs qui risqueraient d’entartrer les circuits.

 Y a-t-il d’autres systèmes permettant d’éviter ces grosses tours qui occupent beaucoup de place ?
Déjà, nous venons de parler des réfrigérants à tirage naturel. Mais d’autres réfrigérants incluent dans leur circuit un ventilateur (sous la coque) qui permet d’accélérer la vitesse de circulation d’air. Un flux d’air plus rapide améliore le coefficient d’échange et l’évaporation. Cette configuration réduit fortement les dimensions et la hauteur des tours.

Dans les sites où la ressource en eau est rare, il faut partir vers une configuration toute autre. Une autre technique est alors apparue sur le marché de façon à permettre le développement de nouveaux moyens de production en électricité tout en cherchant à économiser les ressources en eau  : le condenseur à air ou Air-Cooled Condenser (ACC).
Le refroidissement sec permet de condenser la vapeur à l’échappement de la turbine par passage à l’intérieur de tubes ailetés, refroidis extérieurement par l’air ambiant. La circulation d’air est généralement assurée par des ventilateurs soufflants : c’est un tirage mécanique forcé.