Les tours de refroidissement sont utilisées pour dissiper la chaleur des systèmes de climatisation ou de processus industriels. La plupart des systèmes de climatisation actuellement utilisés ne fonctionnent que pendant la saison de refroidissement estivale, mais de nombreux systèmes de climatisation et de traitement nécessitent un refroidissement toute l'année. Dans certains cas, l’ensemble du système de refroidissement doit fonctionner pendant l’hiver. La tour de refroidissement doit fournir au système la même eau à 85 °F (30 °C) ou moins qu'en été, mais elle le fait à des températures ambiantes plus basses. Cependant, il existe certaines applications conçues pour utiliser la tour de refroidissement pour «refroidissement gratuit». Le refroidissement gratuit consiste à refroidir l'eau réfrigérée par l'eau de la tour de refroidissement grâce à l'utilisation d'échangeurs de chaleur sans utiliser de compresseurs frigorifiques. Le refroidissement gratuit peut être réalisé lorsque les conditions ambiantes permettent à la tour de refroidissement de produire «eau glacée» pour le système.
Lorsque la tour de refroidissement fournit de l'eau glacée au système, il y a des périodes pendant lesquelles elle doit fonctionner dans des conditions de gel. Durant ces périodes, lorsque la tour est soumise à des conditions ambiantes très froides, le risque de production de glace dans la tour de refroidissement ou ailleurs dans le système est plus élevé. Si une conception de tour de refroidissement inappropriée est choisie, ou si l'unité n'est pas utilisée ou hivernée correctement, des quantités excessives de glace peuvent se former dans l'unité, entraînant une diminution de la capacité, des difficultés de fonctionnement et des dommages potentiels à la tour.
Les performances de la tour de refroidissement dans les applications de refroidissement gratuit dépendent à la fois de la conception du système et de la tour de refroidissement. Les séquences de contrôle appliquées au système de refroidissement doivent prendre en compte gestion du côté air et côté eau de la tour de refroidissement. Il est essentiel que les séquences de contrôle appropriées soient appliquées pendant le refroidissement gratuit pour garantir un fonctionnement adéquat de la tour de refroidissement dans des conditions ambiantes basses.
Lorsqu'une exigence de refroidissement gratuit est spécifiée pour un projet utilisant des tours de refroidissement, certaines considérations doivent être prises en compte dès le début de la conception du projet.
Première, des précautions particulières doivent être prises lors de l'aménagement des tours de refroidissement pour éviter la recirculation due au mauvais emplacement des tours et aux vents dominants. Si un fort vent dominant est présent, il convient d’envisager l’ajout de « murs anti-vent » à une tour à tirage induit.
Deuxième, la tour de refroidissement doit être équipée d'options de base telles que des chauffages de bassin, un contrôle électrique du niveau d'eau et des interrupteurs de vibration pour éviter les problèmes de fonctionnement dus au gel du bassin si un puisard à distance n'est pas possible.
Dernièrement, le contrôle de la capacité doit également être soigneusement étudié, surtout si la charge de refroidissement hivernale est nettement inférieure à la charge estivale. Il convient d'arrêter les cellules individuelles d'une tour de refroidissement à plusieurs cellules ou d'utiliser un collecteur à faible débit sur une seule cellule. Une température minimale de sortie de l’eau de 45 °F doit être maintenue à tout moment.
Dans une tour de refroidissement à contre-courant, le remplissage est complètement enfermé et protégé des éléments extérieurs, tels que le vent, qui peuvent provoquer le gel du remplissage dans des conditions ambiantes basses. De plus, le pack de remplissage est soutenu par le bas pour éviter tout affaissement en cas de gel en raison d'un déséquilibre du système. Les ventilateurs, les moteurs de ventilateur et les systèmes d'entraînement des tours de refroidissement à contre-courant Evapco sont également conçus pour fonctionner en toute sécurité en marche arrière jusqu'à 50 % de la vitesse normale du ventilateur. Cependant, il y a plusieurs éléments à prendre en compte lors de l'exploitation d'une tour de refroidissement à contre-courant en mode refroidissement gratuit.
Ce bulletin d'ingénierie examinera les considérations de conception de la tour de refroidissement pour les unités à tirage forcé et induit, ainsi que des procédures de maintenance appropriées pour garantir le bon fonctionnement de la tour de refroidissement pendant le refroidissement gratuit.
Fonctionnement normal
Un examen du refroidissement gratuit doit commencer par un examen du fonctionnement normal de la tour de refroidissement pendant la saison de refroidissement estivale. Le schéma présenté à la figure 1 détaille le fonctionnement du système de refroidissement dans des conditions estivales typiques. Le refroidisseur est opérationnel et refroidit l'eau glacée du système. Dans un système traditionnel, l'eau réfrigérée revient de l'espace conditionné à 55° F où elle a absorbé la chaleur de l'espace conditionné. Il est ensuite refroidi dans la coque de l'évaporateur du refroidisseur avant d'être renvoyé dans l'espace conditionné à 45° F. Dans ces conditions, le refroidisseur et la tour de refroidissement fonctionnent tandis que l'échangeur de chaleur illustré est isolé du système et n'est pas inclus. dans le fonctionnement du système.
Simultanément, la tour de refroidissement absorbe la charge du bâtiment ainsi que la chaleur de compression. La tour de refroidissement transfère ensuite cette charge thermique à l’atmosphère. Dans un système de climatisation typique, l'eau quitte la coque du condenseur du refroidisseur et entre dans la tour de refroidissement à 95° F. L'eau chaude est ensuite refroidie à 85° F puis renvoyée vers la coque du condenseur du refroidisseur pour continuer le processus. processus de transfert de chaleur.
Opération de refroidissement gratuit
Pendant le refroidissement gratuit, le refroidisseur ne fonctionne pas. La tour de refroidissement absorbe la charge thermique du bâtiment et la rejette dans l'atmosphère. Pendant l'opération de refroidissement gratuit, la tour de refroidissement n'a pas besoin d'évacuer la chaleur de compression puisque le refroidisseur ne fonctionne pas. Le refroidisseur est isolé et l'eau de la tour de refroidissement et de l'espace conditionné est contournée vers l'échangeur de chaleur. Des conditions ambiantes basses permettent à la tour de refroidissement de fournir des températures « d'eau glacée » aussi basses que 45 °F au côté primaire de l'échangeur thermique où elle absorbe la charge thermique du bâtiment avant d'être renvoyée à la tour de refroidissement. Une approche de 2° F peut être obtenue dans l'échangeur de chaleur où l'eau à 47° F du côté secondaire assure le refroidissement du bâtiment. Étant donné que les charges de refroidissement et la nécessité d'évacuer l'humidité du bâtiment sont réduites en hiver, les températures de l'eau glacée du « refroidissement gratuit » peuvent être plus élevées que celles du fonctionnement en été.
Les températures indiquées dans le schéma sont typiques mais dépendent des charges du système, des conditions de conception hivernales et des températures souhaitées du bâtiment. L'ingénieur concepteur est responsable de la définition des paramètres du système qui vous permettront de sélectionner une tour de refroidissement appropriée pour l'opération de refroidissement gratuit.
Refroidissement gratuit : considérations relatives à la conception du système
Lorsque vous envisagez une application de refroidissement gratuit, il est important de planifier correctement la conception du système de tour de refroidissement. Les éléments suivants doivent être pris en compte lors de la phase de conception d’un projet :
- Sélection de la tour de refroidissement
- Disposition de l'unité
- Tuyauterie de la tour de refroidissement
- Accessoires pour tour de refroidissement
- Transition du refroidissement gratuit au refroidissement mécanique
Sélection de la tour de refroidissement
Le premier élément à prendre en compte lors de la conception d’un système de tour de refroidissement est la principale condition de conception : les conditions estivales ou hivernales (refroidissement gratuit). Cette condition de conception déterminera la sélection de l’unité. Si les conditions hivernales déterminent la sélection de l'unité, une unité plus grande sera nécessaire que celle qui serait normalement sélectionnée pour un fonctionnement estival uniquement. Cela se produit car il est plus difficile pour la tour de refroidissement de rejeter la chaleur dans des conditions de fonctionnement ambiantes basses.
De plus, même si une unité à cellule unique peut répondre aux conditions de conception estivales et hivernales, une unité à cellules multiples peut constituer un meilleur choix pour un fonctionnement hivernal. Puisque le débit d’eau pour le fonctionnement hivernal peut être inférieur au débit estival, il peut être concentré dans moins de cellules, ce qui permet au débit par cellule de rester élevé, réduisant ainsi le risque de formation de glace à l’intérieur de la tour. Les unités à cellules multiples fournissent également une capacité de secours si une cellule en fonctionnement nécessite un dégivrage ou tombe en panne.
Disposition de l'unité
Une attention particulière doit être accordée à l’emplacement et à la disposition appropriés de la ou des tours de refroidissement pour chaque projet. Un flux d’air adéquat et sans obstruction doit être assuré à la fois pour l’entrée et la sortie de l’unité. C'est impératif pour les tours de refroidissement utilisées pour le refroidissement gratuit la disposition de l'équipement minimise le potentiel de recirculation.
En fonctionnement estival, la recirculation peut réduire considérablement la capacité de la tour de refroidissement. Cependant, en fonctionnement hivernal, elle peut entraîner le gel des condensats sur les persiennes d'entrée, les ventilateurs, les arbres de ventilateur et les grilles de ventilateur. L'accumulation de glace dans ces zones peut nuire au flux d'air vers l'unité ou, dans des cas plus graves, entraîner une défaillance de ces composants. Les sociétés de fabrication et de conseil encouragent fortement l'utilisation d'un interrupteur de vibration sur les unités destinées à un fonctionnement hivernal.
Voir la figure 3 pour les installations correctes et incorrectes des unités à tirage forcé et induit. Les performances des tours de refroidissement peuvent être affectées par les vents dominants. Des vents violents peuvent créer des conditions de givrage sur les persiennes d'entrée et les grilles de ventilateur, affectant ainsi le flux d'air vers la tour.
De plus, les vents dominants dans des unités mal agencées peuvent provoquer un flux d'air descendant chargé d'humidité, qui peut se condenser sur les surfaces de l'unité et geler rapidement. Ce phénomène favorise la formation de glace sur les ouïes d'entrée des groupes à tirage induit et sur les ventilateurs des groupes à tirage forcé.
Tuyauterie de la tour de refroidissement
Lors de la conception d'un système de tour de refroidissement pour des applications de refroidissement gratuit, plusieurs détails de tuyauterie doivent être pris en compte pour garantir le bon fonctionnement hivernal de l'unité. Un contournement de la tour de refroidissement doit être intégré à la conception du système pour permettre à l'eau de « contourner » le système de distribution d'eau de la tour afin de contrôler la capacité dans des conditions de faible charge. Il existe plusieurs façons de concevoir la tuyauterie du système pour accueillir le contournement de la tour de refroidissement.
Il est recommandé d'installer la dérivation de la tour de refroidissement dans le système de tuyauterie d'eau du condenseur. Une dérivation installée de cette manière nécessitera une section de tuyau entre l'alimentation en eau du condenseur et le retour menant à et depuis la tour de refroidissement.
Le contournement de l’eau de la tour de refroidissement directement dans le bassin d’eau froide est une autre méthode de contournement de la tour de refroidissement. Quelle que soit la méthode de dérivation (dans la tuyauterie du système ou dans le puisard de la tour), il est recommandé d'installer la vanne de dérivation en dessous du niveau du bassin d'eau froide pour assurer une bonne pression de refoulement sur la vanne.
Quel que soit le type de dispositif de dérivation utilisé, il est recommandé de n'utiliser qu'un BY-PASS PLEIN FLUX être utilisé pendant le fonctionnement en refroidissement gratuit. Cela signifie que le débit total vers la tour doit être soit envoyé vers le système de distribution d'eau, soit contourné.
BIEN QU'IL PEUT ÊTRE ACCEPTABLE D'UTILISER UN BY-PASS PARTIEL PENDANT L'ÉTÉ, N'UTILISEZ JAMAIS UN BY-PASS PARTIEL DE TOUR DE REFROIDISSEMENT PENDANT LE FONCTIONNEMENT FREE COOLING !
Un débit réduit au-dessus de la tour peut entraîner un débit d'eau irrégulier sur le fluide caloporteur (remplissage), ce qui peut provoquer du tartre pendant le fonctionnement en été et la formation de glace pendant le fonctionnement en hiver.
Protection contre le gel
Une autre considération importante lors de la conception d’un système de refroidissement gratuit est de s’assurer que la tuyauterie et les accessoires nécessaires sont suivis de chaleur et isolés. Toute l'eau à l'intérieur de la tour de refroidissement s'écoule (par gravité) vers le bassin d'eau froide – aucune disposition supplémentaire n'est requise à l'intérieur de la tour de refroidissement. Cependant, toutes les canalisations externes qui ne s'écoulent pas (conduites d'eau d'appoint, égaliseurs et canalisations montantes) doivent être soumises à un traçage thermique et isolées pour garantir qu'elles ne gèlent pas. Les accessoires de tuyauterie du système (vannes d'appoint et de régulation, pompes de circulation d'eau et ensembles de contrôle du niveau d'eau) nécessitent également un traçage thermique et une isolation. Si l'un de ces éléments n'est pas suivi thermiquement et isolé, la formation de glace qui s'ensuit dans ces composants peut entraîner une défaillance entraînant l'arrêt de la ou des tours de refroidissement.
