Les principes physiques dans un réfrigérant

Le réfrigérant atmosphérique est très souvent présent sur des sites industriels de centrales thermiques ou nucléaires sauf éventuellement 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, 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 en dehors du système, des dispositifs dits « anti-primage » ou "séparateurs de gouttes" situés au-dessus de la zone d’échange sont prévus.

Réfrigérant atmosphérique à tirage naturel : échange à contre-courant Dessin 3E Partner

Le réfrigérant atmosphérique, tel qu'il est représenté sur le schéma précédent, est un échangeur à contre-courant. Il existe d’autres configurations de systèmes d’échange air/eau situés alors en périphérie extérieur : l’air y circule horizontalement et les gouttes d’eau tombent par gravité : c’est dans ce cas un réfrigérant à courants croisés. Il a alors l'allure suivante.

Réfrigérant atmosphérique à tirage naturel : échange à courants-croisés Dessin 3E Partner

Pourquoi cette forme ? Cette construction en béton a la forme d'un hyperboloïde : une surface de révolution décrite par la rotation d'une hyperbole autour de son axe...

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) et est acceléré par la réduction de section 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 (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 est bel et bien le principe physique recherché pour refroidir 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 conduisant au 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).

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... Le "panache" 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.