Dimensionnement de la tour de refroidissement pour des performances optimales

Les tours de refroidissement sont des dispositifs essentiels de rejet de chaleur utilisés dans les processus industriels, les systèmes CVC et les applications de refroidissement pour éliminer la chaleur de l'eau, permettant ainsi un refroidissement efficace. Un dimensionnement approprié garantit que la tour de refroidissement peut gérer la charge thermique dans des conditions environnementales spécifiques, ce qui a un impact direct sur les performances du refroidisseur et l'efficacité globale du système. Un sous-dimensionnement peut entraîner un refroidissement inadéquat, une panne du système et une augmentation des coûts énergétiques, tandis qu'un surdimensionnement peut entraîner des dépenses d'investissement inutiles et des inefficacités opérationnelles. Ce guide vise à fournir une méthode pratique pour dimensionner les tours de refroidissement, en tenant compte de facteurs tels que la charge thermique, le débit et la température du bulbe humide.

Concepts clés du dimensionnement des tours de refroidissement

Avant de plonger dans le processus de dimensionnement, il est important de comprendre les termes clés :

• Charge thermique (Q) : La quantité totale de chaleur qui doit être rejetée, généralement mesurée en BTU/h ou en tonnes (1 tonne = 12 000 BTU/h pour la capacité de refroidissement du refroidisseur, mais les tours de refroidissement utilisent souvent une « tonne de tour » de 15 000 BTU/h pour tenir compte de la chaleur de compression).
• Débit (GPM) : Volume d’eau circulant dans la tour de refroidissement, mesuré en gallons par minute, qui affecte la capacité de la tour à rejeter la chaleur.
• Gamme: La différence de température entre l'eau chaude entrant dans la tour (HWT) et l'eau froide qui la quitte (CWT), généralement de 8 °F à 12 °F dans les conceptions standard.
• Approche: La différence entre le CWT et la température ambiante du bulbe humide (WBT), indiquant à quel point la tour peut refroidir l'eau par rapport au potentiel de refroidissement de l'air. Une approche plus petite nécessite une tour plus grande.
• Température du bulbe humide (WBT) : Une mesure de l'humidité et de la température, essentielle pour déterminer les performances de la tour de refroidissement, car elle fixe la limite inférieure du refroidissement par eau.

Les conditions de conception standard incluent souvent un HWT de 95 °F, un CWT de 85 °F (plage de 10 °F) et un WBT de 78 °F, avec une approche de 7 °F, comme indiqué dans Laboratoires de chardon. Cependant, les conditions réelles peuvent varier, nécessitant des ajustements.

Étapes pour dimensionner une tour de refroidissement

Pour dimensionner efficacement une tour de refroidissement, suivez ces étapes détaillées, en vous appuyant sur plusieurs sources fiables telles que Tours de refroidissement Delta et Ingénierie Avantage.

1. Déterminez la charge thermique (Q)

La charge thermique est le rejet total de chaleur requis par le système, généralement provenant d'un refroidisseur ou d'un processus industriel. Pour les applications de refroidissement :

• Obtenez le taux de rejet de chaleur à partir de la fiche technique du refroidisseur, qui comprend à la fois la charge de refroidissement et la chaleur ajoutée par le compresseur.

• S’il n’est pas disponible, estimez-le en utilisant la capacité de refroidissement du refroidisseur en tonnes et son coefficient de performance (COP). La formule est :

  Q(BTU/h)=Capacité de refroidissement (tonnes)×12,000×(1+FLIC1​)

  Par exemple, pour un refroidisseur de 100 tonnes avec un COP de 3 :

  Q=100×12,000×(1+31​)=1,200,000×34​=1,600,000 BTU/h

  Alternativement, une règle empirique courante est que le rejet de chaleur est d'environ 1,25 à 1,3 fois la capacité de refroidissement, comme mentionné dans Boîte à outils d'ingénierie, où une « tonne de tour » est définie comme 15 000 BTU/h, contre 12 000 BTU/h pour les tonnes de refroidisseur.

  Ainsi, pour une capacité de refroidissement de 100 tonnes, le rejet de chaleur ≈ 125 tonnes × 12 000 = 1 500 000 BTU/h, ou en tonnes de tour, 1 500 000 / 15 000 ≈ 100 tonnes de tour, mais il est préférable d'utiliser le calcul exact.

2. Choisissez les températures de conception

Sélectionnez les températures de fonctionnement en fonction des exigences du système et des pratiques standard :

• Température de l'eau chaude (HWT) : Généralement 95 °F à 100 °F pour les condenseurs de refroidissement, selon l'application. Des températures plus élevées peuvent nécessiter des tours plus grandes.
• Température de l'eau froide (CWT) : Souvent réglé à 85°F pour les conceptions standard, mais peut varier. La différence (HWT – CWT) est la plage, généralement de 8°F à 12°F.
• Température du bulbe humide (WBT) : Obtenez le WBT de conception pour le lieu d’installation à partir de données météorologiques ou de normes comme ASHRAE. Par exemple, un WBT de 78°F est standard, mais il peut varier de 70°F à 85°F selon le climat.

L’approche (CWT – WBT) est cruciale ; une approche plus petite (par exemple, 5°F) signifie que la tour doit refroidir l'eau plus près du WBT, ce qui nécessite une unité plus grande. Les approches typiques vont de 5°F à 10°F, comme indiqué dans Tour de refroidissement LLC.

3. Calculez le débit requis (GPM)

Utilisez la charge thermique et la plage pour calculer le débit d'eau requis à l'aide de la formule :

Réorganiser pour trouver GPM :

Par exemple, avec Q = 1 500 000 BTU/h et Plage = 10 °F :

Vous pouvez également utiliser des valeurs empiriques : pour une plage de 10 °F, environ 3 GPM par tonne de refroidisseur, selon Ingénierie Avantage, ce qui correspond à notre calcul ci-dessus pour un refroidisseur de 100 tonnes (300 GPM pour 100 tonnes, ou 3 GPM/tonne).

Pour différentes plages, ajustez en conséquence. Pour une plage de 8 °F, le GPM serait plus élevé, comme indiqué dans le tableau ci-dessous :

Ce tableau illustre comment le débit augmente avec une plage plus petite, nécessitant des tours potentiellement plus grandes.

4. Sélectionnez la tour de refroidissement

Une fois GPM, HWT, CWT et WBT connus, utilisez les outils de sélection ou les tableaux de performances du fabricant pour choisir un modèle. Par exemple, Tours de refroidissement Delta propose un programme de calcul qui saisit ces paramètres pour recommander un modèle. Assurez-vous que la tour sélectionnée peut atteindre le CWT souhaité au WBT de conception, en tenant compte :

• Capacité nominale : Les tours de refroidissement sont évaluées dans des conditions standard (par exemple, 95°F HWT, 85°F CWT, 78°F WBT). Si les conditions diffèrent, utilisez les facteurs de correction fournis par les fabricants.
• Approche et efficacité : Une approche plus petite (par exemple, 5°F contre 10°F) nécessite une tour plus grande, ce qui a un impact sur le coût et la taille.

5. Tenez compte de facteurs supplémentaires

Plusieurs facteurs peuvent affecter les performances et le dimensionnement de la tour de refroidissement :

• Altitude: Des altitudes plus élevées réduisent la densité de l’air, diminuant potentiellement l’efficacité du refroidissement. Les fabricants peuvent fournir des facteurs de déclassement.
• Variations d’humidité et de WBT : Une humidité extrême peut affecter les taux d’évaporation. Assurez-vous que la conception WBT tient compte des conditions de pointe.
• Qualité de l'eau : Une eau de mauvaise qualité peut entraîner du tartre ou un encrassement, réduisant ainsi l'efficacité. Envisagez des systèmes de traitement de l’eau ou sélectionnez une tour plus grande.
• Contraintes d'espace et d'installation : Assurez-vous que la tour sélectionnée correspond à l’espace disponible et répond aux exigences structurelles et sonores.
• Efficacité énergétique : Des tours plus grandes avec des approches plus basses peuvent permettre d'économiser de l'énergie à long terme, équilibrant ainsi les coûts initiaux.

6. Vérifiez auprès du fabricant

Compte tenu de la complexité, vérifiez toujours la sélection auprès du fabricant de la tour de refroidissement ou d'un ingénieur qualifié, en particulier pour les systèmes critiques. Ils peuvent fournir des courbes de performances détaillées et garantir la conformité aux codes et normes locaux.

Informations supplémentaires et conseils de maintenance

Depuis Laboratoires de chardon, la température du bulbe humide est cruciale, car elle détermine la limite de refroidissement. Par exemple, à 78°F WBT, atteindre un CWT de 85°F (approche 7°F) est standard, mais des WBT plus élevés peuvent nécessiter des tours plus grandes ou des étages de refroidissement supplémentaires.

Depuis Boîte à outils d'ingénierie, la distinction entre les tonnes de refroidisseur (12 000 BTU/h) et les tonnes de tour (15 000 BTU/h) est importante, car les tours de refroidissement doivent gérer la chaleur supplémentaire provenant du fonctionnement du compresseur, généralement 1,25 à 1,3 fois la capacité du refroidisseur.

Pour les tâches liées aux réfrigérants, consultez toujours des professionnels, car la manipulation des réfrigérants nécessite un équipement spécialisé et est réglementée pour prévenir les dommages environnementaux, bien que cela soit plus pertinent pour la maintenance du refroidisseur que pour le dimensionnement de la tour.

Conclusion

Ce guide complet couvre le processus de dimensionnement d'une tour de refroidissement pour des performances optimales, en se concentrant sur le calcul de la capacité en fonction de la charge thermique et des facteurs environnementaux. En déterminant la charge thermique, en sélectionnant les températures de conception appropriées, en calculant le débit et en utilisant les outils du fabricant pour la sélection, vous pouvez vous assurer que la tour de refroidissement répond aux besoins de votre refroidisseur. Tenez compte de facteurs supplémentaires tels que l’altitude et la qualité de l’eau, et vérifiez toujours auprès d’experts les systèmes critiques. Cette approche, optimisée pour le « dimensionnement des tours de refroidissement » et les « performances des refroidisseurs », se veut une ressource complète pour les ingénieurs et les gestionnaires d'installations.