Tour de refroidissement · The Last Codex

Une tour de refroidissement refroidit l’eau tiède qui sort des condenseurs d’une centrale ou d’une usine en la faisant tomber dans un courant d’air : une petite partie s’évapore et emporte la chaleur. L’eau refroidie retourne au condenseur. Une première tour en bois à tirage de cheminée, conçue par Hans Joachim Balcke, fut essayée à Nuremberg en 1894, et la grande coque hyperboloïde en béton vint des Pays-Bas pendant la Première Guerre mondiale.

Ce que c’est

Une machine ou une turbine à vapeur à condensation retransforme sa vapeur d’échappement en eau dans un condenseur, et ce condenseur a besoin d’un débit constant d’eau froide. Là où une rivière ou un lac ne peut pas tout fournir, l’installation se sert d’une tour de refroidissement : l’eau tiède du condenseur est pompée dans la tour et répartie sur un garnissage ; elle tombe à travers un courant d’air et se rassemble, refroidie, dans un bassin au fond, d’où elle repart vers le condenseur.

Les grandes tours des centrales sont des coques de béton armé, larges à la base, plus étroites au-dessus et un peu évasées au sommet, posées sur une couronne de poteaux élancés. Elles fonctionnent sans ventilateur : l’air y monte de lui-même. Les tours plus petites des usines, des hôpitaux et des immeubles de bureaux sont des caissons où des ventilateurs poussent l’air. Dans les deux cas, l’essentiel de la chaleur part avec la vapeur d’eau qui s’élève du sommet.

Comment ça marche

Une tour de refroidissement carrée en forme de caisson, dont la face avant est ôtée, avec un ventilateur dans une courte cheminée au sommet, des ouïes sur les côtés par où l’air entre, un garnissage en grille au milieu et de l’eau qui goutte dans un bassin en dessous Dans une tour à tirage mécanique, un ventilateur placé au sommet aspire l’air à travers l’eau qui tombe.

Pour s’évaporer, l’eau a besoin de beaucoup de chaleur, et elle la prend à l’eau qui reste. Une tour de refroidissement s’en sert à grande échelle. Des buses répandent l’eau tiède sur le garnissage, des couches de plaques ou de lattes qui la divisent en films minces et en gouttes, pour qu’une surface aussi grande que possible rencontre l’air. Dans les tours à contre-courant, l’air monte à l’encontre de l’eau qui tombe ; dans les tours à courants croisés, il traverse le garnissage de côté. Des séparateurs de gouttelettes, des rangées de chicanes placées au-dessus des buses, arrêtent la plupart des fines gouttes que l’air emporterait sinon.

Dans une tour à tirage naturel, la pulvérisation et le garnissage n’occupent que le bas de la coque, un peu au-dessus des entrées d’air, et le reste forme une cheminée vide. L’air qui a traversé le garnissage est plus chaud et plus humide que l’air extérieur, donc plus léger. Il monte dans la coque comme la fumée dans une cheminée et aspire de l’air frais par les ouvertures de la base. La double courbure de l’hyperboloïde raidit la mince coque de béton contre son propre poids et contre le vent, si bien qu’une très grande tour demande relativement peu de matériau.

L’eau perdue par évaporation laisse derrière elle les sels qui y étaient dissous, et ils se concentrent un peu plus à chaque passage dans la tour. Pour éviter qu’ils ne forment du tartre, on évacue régulièrement une partie de l’eau, la purge de déconcentration, et de l’eau d’appoint la remplace, avec ce qui s’est évaporé et ce que l’air a emporté en gouttelettes.

Comment faire

Une grande bouteille en plastique transparent au fond coupé, posée tête en bas sur des pierres dans une bassine et garnie sans tasser de tampons à récurer en plastique, un pichet versant de l’eau tiède par le haut ouvert, un bouchon percé de petits trous en bas, et un thermomètre dans la bassine L’eau tiède versée dans une bouteille garnie ressort plus fraîche en bas.

Une bouteille en plastique transparent et quelques tampons à récurer en plastique suffisent pour une maquette qui marche. Demandez à un adulte de couper le fond d’une grande bouteille en plastique et de percer quelques petits trous dans son bouchon. Posez la bouteille tête en bas sur trois pierres dans une bassine, pour que l’air puisse entrer entre les pierres et le goulot, et garnissez-la de tampons sans les tasser. Remplissez un pichet d’eau tiède du robinet, pas plus chaude que ce que la main supporte sans gêne, et mesurez sa température.

Versez lentement l’eau sur le garnissage et lisez la température de l’eau de la bassine dès que le pichet est vide. Recommencez avec la bouteille vide, puis avec le garnissage et un petit ventilateur à piles qui souffle par en dessous. Plus l’eau s’étale sur une grande surface et plus l’air passe, plus elle ressort fraîche, et l’écart est plus grand par temps sec que par temps humide.

Consignes de sécurité. N’utilisez que de l’eau tiède, jamais d’eau chaude ou bouillante, pour éviter les brûlures. N’utilisez qu’un ventilateur à piles, jamais un appareil branché sur le secteur, près de l’eau. Le bord coupé de la bouteille peut être tranchant : un adulte le coupe et le recouvre de ruban adhésif. L’eau tiède qui stagne peut abriter des légionelles, les bactéries qui donnent la légionellose quand on respire des gouttelettes : ne pulvérisez pas l’eau dans l’air, videz la bassine et la bouteille aussitôt après l’essai, rincez-les et laissez tout sécher.

Histoire et évolution

Une machine à vapeur à condensation demande beaucoup d’eau de refroidissement, et toutes les usines et les premières centrales électriques n’avaient pas une rivière à portée pour la fournir. L’ingénieur allemand Hans Joachim Balcke fut le premier à refroidir cette eau dans une tour qui tirait son air comme une cheminée, et il fonda en 1894 à Bochum une entreprise pour la construire. Selon le Polytechnisches Journal, la première de ces tours, grossièrement charpentée en bois, fut mise à l’essai en 1894 dans la cour de la société d’électricité Schuckert, à Nuremberg. Dans les tours que décrivait le journal en 1897, l’eau tiède entrait en hauteur dans une cheminée de bois et tombait sur de nombreux plateaux à persiennes, tandis que l’air qu’elle réchauffait montait et aspirait de l’air froid par le bas.

Un cylindre métallique riveté dressé sur de courts pieds, ouvert en haut et découpé pour montrer à l’intérieur des tuiles posées de chant sur trois plateaux percés, un tuyau alimentant un tuyau percé posé en travers du sommet, qui arrose les tuiles, un bassin d’eau au fond, et un ventilateur à la base soufflant l’air vers le haut Une tour des années 1890 : une cheminée métallique garnie de tuiles, où un ventilateur souffle l’air vers le haut à travers l’eau qui tombe.

En 1896, des ingénieurs américains décrivirent des tours à ventilateur. À la centrale électrique Edison de Brooklyn, une tour prenait la forme d’une haute cheminée métallique garnie de tuiles. L’eau chaude des condenseurs était répartie sur le dessus et ruisselait à travers les tuiles, pendant qu’un ventilateur placé en bas y soufflait de l’air vers le haut. L’eau ressortait au fond assez froide pour retourner aux condenseurs, refroidie surtout par évaporation.

Pendant la Première Guerre mondiale, les ingénieurs néerlandais Frederik van Iterson et Gerard Kuypers firent breveter une tour de refroidissement en béton armé dont les parois se resserraient vers le milieu puis s’évasaient vers le haut. Ces coques, qui tirent leur air sans ventilateur et demandent peu de matériau pour leur taille, devinrent les tours de refroidissement habituelles des grandes centrales au charbon et nucléaires. Les tours à tirage mécanique, avec ventilateurs, servent dans les usines, les raffineries et la climatisation des grands bâtiments.

Comme elles mettent de l’eau tiède au contact de l’air et rejettent de fines gouttelettes, les tours de refroidissement peuvent répandre des légionelles. Des épidémies de légionellose ont été rattachées à des tours, et leur nettoyage et leur désinfection réguliers, avec des séparateurs de gouttelettes pour retenir les gouttes, sont le moyen habituel de les prévenir.