Guide des techniques des industries de procédé
Les pouvoirs publics ont publiés en Juin 2001 un GUIDE DES BONNES PRATIQUES : LEGIONELLA ET TOURS AÉRORÉFRIGÉRANTES rédigé en collaboration avec le millieu professionnel, et destiné aux maîtres d'ouvrage, aux maîtres d'œuvre, aux propriétaires, aux constructeurs, aux installateurs, aux exploitants et aux traiteurs d’eau.
Il est disponible en ligne sur les sites web des ministères de l'environnement et de la santé.
Ces tours constituent le moyen le plus efficace et le moins coûteux pour extraire la chaleur des systèmes de réfrigération, des process industriels et du conditionnement d'air. Compactes, peu gourmandes en énergie, elles économisent plus de 95 % de l'eau qu'elles refroidissent.
Elles fonctionnent, pour l'essentiel, sur le principe naturel du refroidissement par évaporation de l'eau, par un contact direct avec l'air ambiant. On peut ainsi obtenir des températures d'eau froide inférieures à celles de l'air sec ambiant. Quelle que soit l'efficacité du système, la température de l'eau refroidie ne pourra être inférieure à la température de l'air mesurée au THERMOMETRE HUMIDE.
Celle-ci dépend de la température réelle de l'air et de son humidité.
La tour aéroréfrigérante est principalement constituée d'un système de distribution de l'eau, d'un système d'échange thermique, d'un bassin récupérant l'eau refroidie, et d'un séparateur de gouttes ou dévésiculeur, le tout étant traversé par un courant d'air initié par tirage naturel ou par tirage forcé par un ventilateur.
L'eau se répartit dans un garnissage où elle rencontre l'air de refroidissement mis en mouvement, soit par effet de tirage dans une sorte de haute cheminée, dans les tours de réfrigération atmosphériques à tirage naturel, soit au moyen de ventilateurs dans les tours à tirage forcé.
La capacité du système à refroidir l'eau est fonction:
- du débit d'air
- de la température et de l'humidité de l'air
- de la température de l'eau chaude
- de la surface de contact entre l'eau et l'air
Ce sont des ouvrages importants que l'on trouve principalement dans le secteur de production
d'énergie, (centrales thermiques ou nucléaires).
La circulation d'air est obtenue par effet de tirage d'une grande cheminée de forme le plus souvent
hyperbolique, grâce à la différence de température entre l'eau chaude et l'air ambiant plus froid.
Elles se trouvent le plus souvent dans l'industrie pour les plus grandes. Les plus petites étant utilisées
dans le secteur tertiaire (installations de climatisation). L'air est mis en circulation au moyen d'un
ou plusieurs moto ventilateurs. Il existe deux dispositions :
La tour de réfrigération est dite « à tirage forcé » quand le(s) moto ventilateur(s) est (sont) à l'amont
du garnissage (on dit aussi tour soufflante) et « à tirage induit » quand il(s) est (sont) situé(s) à l'aval
du garnissage (on dit aussi tour aspirante).
Bien que n'entrant pas dans la même catégorie, ils sont intéressants à citer par comparaison avec les tours
de réfrigération atmosphérique. Dans ce cas, l'air n'est pas en contact avec l'eau ou un autre fluide
(en effet il peut refroidir d'autres fluides que l'eau). Le transfert des calories se fait par échauffement
de l'air ambiant avec les tubes dans lesquels circule le fluide à refroidir. L'échange thermique se fait
uniquement par conduction et convection, par échauffement de l'air ambiant au travers de l'échangeur
sans évaporation du fluide réfrigéré.
En première approximation, il faut signaler que quatre fois plus de surface d'échange et par conséquent
de débit d'air sont nécessaires pour refroidir le même débit de fluide. Opérant sur la température
de l'air sec, le réfrigérant sec ne permet pas d'atteindre des températures aussi basses qu'avec
le réfrigérant atmosphérique.
La performance de l'installation peut être mesurée par l'APPROCHE DE TEMPERATURE, qui est l'écart entre la température de l'eau froide et la température de l'air mesurée au thermomètre humide.
Les systèmes de réfroidissement d'eau sont généralement prévus pour fournir:
- une approche de 5°C
avec:
- un air de température au thermomètre humide de 21°C (25°C de température réelle et 70% d'humidité relative)
- un écart de température entre eau chaude et froide de 10°C
- un ratio débit d'eau/débit d'air de 1 tonne/tonne
Le tableau suivant montre comment évoluera l'approche de température (°C) avec:
- la variation de charge thermique
- la variation de débit d'eau
- la variation de débit d'air
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Charge thermique/débit d'eau
thermie (thermie/tonne d'eau)
/t air 5 7 10 15 20
------- ---- ---- ---- ---- ----
5 3,1 2,2 1,2
7 5,0 3,9 2,7 1,3
10 7,7 6,5 5,0 3,1 1,8
15 11,6 10,4 8,6 6,3 4,5
20 11,8 9,2 7,1
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Surface au sol:
0,08m2 par m3/h d'eau à refroidir pour une approche de 5°C
0,05m2 par m3/h d'eau à refroidir pour une approche de 10°C
Vitesse de l'air:
2,5m/sec
Puissance du ventilateur:
0,25kw pour 1m3/sec d'air à 2,5m/sec
la puissance absorbée par le ventilateur varie comme le cube de la vitesse de l'air.
Ratio débit d'eau/débit d'air:
de 0,75 à 1,5 en masse
Entraînement vésiculaire:
<0,05% de l'eau en circulation
L'eau est mise en contact avec l'air, une partie de l'eau, E, s'évapore. Afin de limiter la concentration
de l'eau, un appoint, A, et une purge, P, sont nécessaires selon l'équilibre suivant :
A = E + P (appoint = évaporation + purge)
L'eau est concentrée dans le circuit d'un facteur Fc tel que :
P = E / (Fc -1)
Le facteur de concentration, noté Fc, est défini comme étant le rapport entre la concentration en sel
de l'eau circulant dans l'aéroréfrigérant et la concentration de l'eau d'appoint.
La déconcentration ou purge P est constituée :
- de la perte d'eau par entraînement de gouttelettes par l'air circulant dans la tour,
- de la purge de déconcentration (en général par trop plein ou par vanne réglable manuellement ou
en automatique),
- de vidanges répondant à des besoins ponctuels (ex : suppression de l’antigel…).
La purge est continue de préférence ou discontinue asservie à l'appoint ou à la conductivité. Elle
vise à maintenir le facteur de concentration à un niveau acceptable pour l'ensemble du circuit en
adéquation avec le système de traitement d'eau.
Les matériaux courament employés sont:
- le ciment pour la cuvette de rétention de l'eau refroidie et pour le bardage (fibrociment)
- le polyester pour le bardage
- le bois ou l'acier galvanisé pour la structure
- le PVC, le polystyrène ou le polypropylène pour la dispersion de l'eau, le contact avec l'air et l'élimination des vésicules entraînées.
Le bois résiste bien à l'eau légèrement acide mais est sensible à la pourriture dans une eau basique.
Le ciment est sensible à l'eau acide ou contenant une trop grande proportion de CO2, mais résiste bien aux eau basiques (jusqu'à pH=10).
Le système de ruissellement généralement en matériau plastique, craint:
- la chaleur
- le poids excessif
- les chocs
- les hydrocarbures ou solvants organiques.
La température de l'eau devra être limitée à 55°C.
En hiver on veillera à éviter l'accumulation de glace, et à ne pas utiliser de moyen mécanique ou de jet de vapeur pour l'éliminer, mais arrêter seulement le ventilateur.
Pour éviter la formation de tartre, on peut traîter l'eau aux polyphosphates (typiquement 5g/m3 d'eau).
Il est conseillé de préparer une solution concentrée à 10% (attention celle-ci est corrosive) qui est ajoutée par un système doseur.
La solution diluée jusqu'à 100g/m3 a par contre un rôle passivant.
Ce traîtement ne supprime pas la purge de déconcentration, mais il permet de la réduire tout en limitant l'entartrage.
Un autre moyen de limiter l'entartrage est de faire l'appoint avec de l'eau épurée.
L'air saturé de vapeur d'eau crée un nuage visible à la sortie des tours aéroréfrigérantes par voie humide. Ce nuage appelé panache est constitué :
- de vapeur d'eau : c'est la quantité d'eau évaporée pour assurer le refroidissement. Elle est fonction de la chaleur éliminée. Elle est de l'ordre de 1 % du débit d'eau circulant (soit approximativement 1,5 m3 par MWh rejeté à l’atmosphère) pour 5 à 6 °C d'écart thermique entre l'eau chaude et l'eau froide. Ce débit d'évaporation est constitué par de l'eau pure qui n'entraîne aucun sel dissous.
La vapeur d'eau peut se recondenser en gouttes d’un diamètre moyen de 5 µm.
- de gouttes entraînées ou entraînement vésiculaire : l'entraînement vésiculaire est défini comme étant de fines particules d'eau (de quelques µm à 1 mm) entraînées dans l'atmosphère par la circulation de l'air dans la tour.
Contrairement à l'eau évaporée, les gouttelettes entraînées possèdent la même composition que l'eau du circuit et sont donc susceptibles de véhiculer les bactéries.
Dans le milieu industriel, les tours aéroréfrigérantes sont conçues pour des taux d'entraînement inférieurs à 0,01 % du débit d'eau en circulation dans l'appareil. Le diamètre des gouttes émises est compris entre quelques centaines de micromètres et un millimètre.
L’implantation et l’orientation des tours doivent être considérées lors de l’étude du projet de réalisation du bâtiment. Il est notamment nécessaire de veiller à :
- l’environnement de la tour en évitant la proximité de fenêtres, de prises d’air, de lieux de rassemblements du public et en tenant compte des vents dominants, afin de ne pas propager l’air expulsé dans des milieux confinés, ou très fréquentés,
- la qualité de l’air aspiré. En effet, toute activité de proximité qui génère de grandes quantités de poussières ou de matières organiques en suspension dans l’air, participe au développement de micro-organismes favorables à la prolifération des Legionella (exemples : rejets de cuisine, poussières de chantiers…).
La conception des réseaux doit permettre l’installation d’équipements nécessaires au traitement de l’eau, notamment la mise en place de systèmes de filtration dérivée.
Le circuit d’eau de la tour aéroréfrigérante raccordé à un réseau d'eau potable doit répondre aux exigences de sécurité sanitaire prévues par la réglementation relative à la protection des réseaux. Les installations alimentées en eau potable doivent intégrer, dès leur réalisation, les éléments de protection contre les risques de pollutions par retours d'eau.
La présence de vannes de vidange est indispensable aussi bien au niveau des circuits qu’au niveau du bassin :
- vannes de vidange de circuits aux points bas des circuits,
- vanne de vidange du bassin au point bas du bassin et raccordée à l’égout.
Le circuit hydraulique doit être également conçu afin de pouvoir être vidangé et nettoyé si nécessaire. La présence de bras morts doit être évitée. Toute partie de l’installation susceptible de créer un bras mort doit être identifiée, répertoriée afin de pouvoir être surveillée tout particulièrement
Le traitement d'eau sera adapté à la qualité d'eau du site, au facteur de concentration et aux retours d'expérience. Le traitement d'eau sera mis en œuvre lorsque cela s’avérera nécessaire. Il peut être constitué :
- d’un prétraitement (décarbonatation par exemple),
- d'inhibiteurs d'entartrage et/ou de corrosion,
- et/ou d'acides permettant d'abaisser le Titre Alcalimétrique Complet (TAC) de l'eau,
- et/ou de bactéricides oxydants ou non oxydants,
- et/ou de molécules biodispersantes (tensioactifs),
- et/ou de procédés physiques (UV, ultrasons, filtration…).
La filtration d’une fraction du débit en circulation permet de retenir les matières en suspensions (MES) amenées par l’eau d’appoint, ou provenant du lavage de l’air au niveau de la tour et de les sortir du circuit. L'entretien de ces équipements est indispensable pour prévenir la création potentielle de foyers microbiens.
Les procédés physiques tels que les UV par exemple, permettent de désinfecter l'eau, mais requièrent des conditions d’emploi bien précises (faible turbidité de l’eau et épaisseur de lame d’eau).
L’attention est attirée sur le fait qu’il n'y a pas de rémanence de ce traitement, c’est-à-dire que l'action désinfectante est localisée (au moment du passage près des lampes) mais ne dure pas au delà.
Les ultrasons ont pour effet d’induire des perturbations profondes et létales dans les bactéries en modifiant les mécanismes d’oxydation cellulaire.
Ils favorisent l'accès et la pénétration des biocides dans les dépôts biologiques afin d’augmenter l’efficacité du traitement.
Il existe deux grandes familles de biocides (les oxydants et non oxydants) qui peuvent être utilisées en dosage de choc ou en continu selon le but recherché.
L'efficacité du traitement est dépendante de la dose et du temps de contact (entre les micro-organismes et le produit actif).
Une attention particulière doit être portée au pH et à la présence de substances inhibitrices qui peuvent influencer l’efficacité des biocides. L'avis de spécialistes sur ces points est important à requérir.
Si les conditions de mise en œuvre ne sont pas conformes aux recommandations ou si la qualité de l'eau change brutalement, le produit risque d'être inefficace même injecté en quantité importante.
Remarque : l'utilisation de biocides oxydants en quantité importante peut causer des corrosions des installations.
Ils empêchent la précipitation des sels sous forme entartrante.
Le réactif introduit dans le circuit s'oppose à la corrosion en formant un film protecteur sur les surfaces métalliques. La bonne constitution du film implique une injection continue.
L'eau tiède et aérée des réfrigérants atmosphériques contient des matières minérales et organiques qui peuvent favoriser le développement d'une faune et d'une flore qui accélère le pourrissement du bois, la corrosion des métaux et les dépots sur les surfaces d'échangeur.
Pour éviter cela, l'eau doit être traîtée.
Parmis les bactéries pouvant se développer, la Legionella Pneumophila responsable de la maladie du légionaire est particulièrement redoutée.
Parmis les moyens de lutte contre cette prolifération bactérienne on trouve:
- Le chlore
- Le peroxyde d'hydrogène éventuellement associé à un catalyseur de décomposition
- L'iode
- Un rayonnement UV
Un rayonnement à 254nm modifie le patrimoine génétique des bactéries et provoque leur mort. L'action désinfectante est localisée (au moment du passage près des lampes) mais ne dure pas au delà.
Le liquide à traiter doit être suffisament limpide pour transmettre le rayonnement. Une filtration peut être nécessaire.
La Legionella est une bactérie aérobie. Elle a été identifiée dans de nombreux milieux naturels (lacs, étangs, rivières) mais également dans certains réseaux d'eau chaude sanitaire, des forages et des circuits de refroidissement. Elle prolifère entre 20 °C et 45 °C. Au-dessous de 20 °C, les bactéries sont viables mais ne se développent pas. Aux alentours de 50 °C une destruction survient (en
quelques heures). Vers 60 °C le temps de destruction devient très court (de l’ordre de la minute).
Dans les tours aéroréfrigérantes, les températures d'eau sont généralement comprises entre 10 °C et 50 °C. La Legionella peut être présente dans le biofilm qui est susceptible de se déposer dans ces installations. Celui-ci, composé de bactéries, de polymères naturels et de sels minéraux est susceptible, au cours de son évolution, de se détacher, libérant ainsi les bactéries dans l'eau.
La bactérie tolère une large gamme de pH. Elles prolifèrent en présence de concentrations élevées de calcium et de magnésium, de résidus métalliques, de certains matériaux tels que le caoutchouc, le chlorure de polyvinyle, le polyéthylène ou le silicone et d'autres micro-organismes des milieux aquatiques, comme les cyanobactéries ou les amibes libres.
Leur mise en évidence est effectuée selon la norme Afnor NFT 90-431 (en cours de modification) par une technique de culture sur milieu spécial (BCYE). Le résultat est exprimé en Unité Formant Colonie par litre. La limite de détection est actuellement de 50 à 100 UFC/l selon le laboratoire.
La croissance de la bactérie sur ce milieu de culture est relativement lente, pouvant aller de 3 à 10 jours selon les espèces.
Les infections qui peuvent être occasionnées par la Legionella sont de deux formes :
- une pneumopathie appelée maladie des légionnaires à déclaration obligatoire depuis 1987
- une infection à caractère bénin appelée fièvre de Pontiac.
Dans ces deux formes, la transmission se fait par inhalation de fines gouttelettes d'eau ou aérosols (taille < 5 µm) contenant des Legionella qui vont pénétrer jusqu'au niveau des alvéoles pulmonaires.