Les réfrigérants atmosphériques sont aujourd’hui les plus répandus pour le refroidissement de fortes puissances. Dans le cas des centrales électriques nucléaires, ces tours aéroréfrigérantes sont du type indirect avec confinement par rapport au circuit de refroidissement secondaire. La construction et la conception d'une tour aéroréfrigérante nécessitent des compétences et des qualifications spécifiques, afin d’englober tous les aspects concernés, mécaniques et thermiques, génie civil, techniques de dimensionnement et de construction. Au préalable à son exploitation, la conduite d’essai s de validation des caractéristiques est obligatoire, ainsi que la mise en place de consignes de sécurité, d’entretien et de surveillance. De plus, les réfrigérants de forte puissance font maintenant l'objet de nombreux aménagements pour limiter leur impact sur l'environnement.
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Renaud FEIDT
: Ingénieur thermique énergétique, Polytech Nantes - Directeur installation – Région Ouest – Johnson Controls Services et Solutions
INTRODUCTION
Apartir des années 1970, la construction de plusieurs centrales électriques de forte puissance en France a constitué une avancée technologique majeure encore reconnue à ce jour.
Les centrales électriques nucléaires, mais aussi thermiques classiques, mettent en jeux des échanges thermiques considérables en rapport avec leur puissance pouvant aller jusqu'à 1 300 MW pour un réacteur nucléaire. En considérant un rendement moyen de 33 %, la chaleur rejetée par un réacteur est donc au maximum de 2 600 MW.
Pour pouvoir évacuer cette quantité de chaleur, une première solution envisageable a été d'utiliser un refroidissement par eau de rivière. Pour une centrale nucléaire de 4 réacteurs de 900 MW, le débit total d'eau nécessaire à un refroidissement de 6 K (ΔT admissible pour ce type d'application) est de l'ordre de 35 m3/s par réacteur, soit 140 m3/s au total.
Il est malheureusement presque toujours impossible d'envisager ce mode de refroidissement sans risquer un échauffement trop important de l'eau des fleuves et des rivières. Par exemple, la puissance électrique totale installée à ce jour le long de la Loire est de 11 600 MW, le débit total d'eau de refroidissement à puiser dans le fleuve serait donc de 450 m3/s ce qui est supérieur à son débit normal moyen.
D'autres solutions de refroidissement ont donc été envisagées telles que l'utilisation d'eau de mer ou l'utilisation de l'air qui sont les deux puits froids les plus importants du milieu ambiant. Du fait des contraintes d'implantation et d'exploitation de l'eau de mer, les réfrigérants atmosphériques sont aujourd'hui les plus répandus pour le refroidissement de fortes puissances. Pour assurer la sûreté de fonctionnement, ceux utilisés pour refroidir les centrales électriques nucléaires sont de type indirect avec confinement par rapport au circuit de refroidissement secondaire. Entre un refroidissement à eau perdue et un réfrigérant atmosphérique humide, système le plus répandu, l'économie d'eau réalisée est estimée à 90 % de la quantité totale d'eau de circulation. En effet, l'appoint d'eau de rivière qui compense la quantité d'eau évaporée est alors de l'ordre de 2 à 4 m3/s pour un réacteur de 900 MW.
Dans ce dossier, nous décrirons, pour les réfrigérants atmosphériques indirects de forte puissance aussi couramment appelés tours aéroréfrigérantes indirectes :
le principe de fonctionnement ;
l'état de la technique ;
les principes de dimensionnement et de construction ;
des conseils de mise en service et d'exploitation.
Pour les autres types de réfrigérants atmosphériques, le lecteur peut se référer aux dossiers [BE 8 940] « Réfrigérants atmosphériques, aéroréfrigérants directs secs » et [BE 8 941] « Refrigérants atmosphériques, aérocondenseurs ».
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3.1 Données d'entrées nécessaires au dimensionnement
Afin de concevoir un appareil adapté aux besoins du site avec un coût d'achat et d'exploitation maîtrisé, il convient de bien connaître :
la quantité de chaleur horaire à éliminer Q (J/h) ;
le débit-volume d'eau de refroidissement qvr (m3/h) ;
l'abaissement de température de cette eau ΔT = Te2 – Te1 (K) ;
en sachant que ces trois données sont liées par la relation suivante :
( 2 )
En plus de ces données, il est important de définir les contraintes environnementales du site :
conditions ambiantes (température, vent) et météorologiques (été et hiver) ;
quantité et qualité des sources d'eau à proximité du site (rivières, mer, etc.) ;
place disponible pour implanter le réfrigérant ;
niveau sonore acceptable ;
conditions de fonctionnement des équipements à refroidir (continu ou pas, etc.).
La puissance thermique à évacuer et le débit-volume d'eau étant connus ou fixés par le dimensionnement des équipements de la centrale (réacteur, échangeur, etc.), la relation (2) permet de calculer l'abaissement de température, aussi appelé approche, qui déterminera la taille du réfrigérant. Une marge de 10 à 20 % sur la valeur de l'écart moyen de température est à prendre en compte pour concevoir un réfrigérant capable de répondre aux besoins dans toutes les conditions (ambiances extrêmes, forte charge, etc.).
(1) -
CAUDRON (L.) -
Les réfrigérants atmosphériques industriels.
-
Collection de la Direction des Études et Recherches d'Électricité de France, Eyrolles (1991).
Bibliographie & annexes
Construction, implantation, mise en service et exploitation
