Évaporation des gouttelettes au sein d’une tour de refroidissement

Les process industriels mettant en œuvre des écoulements de fumées chaudes (plus de 300°C) issues de chaudière (cimenteries, aciéries, incinérateurs, fonderies…) sont susceptibles d’intégrer dans leurs lignes des installations pour traiter ces fumées (NOx, particules…). Cependant, ces appareils de traitement doivent fonctionner à une température contrôlée, pour optimiser les réaction, ou simplement pour éviter les dommages sur les composants des appareils.

Un moyen de contrôler la température de tels écoulements est la pulvérisation de gouttelettes d’eau. La capacité calorifique de l’eau et surtout sa chaleur latente d’évaporation permet de piéger la chaleur des fumées et en réduire la température. Ce procédé est réalisé par les tours de refroidissement. Les changements de direction des flux (coudes), la contraction du flux lors du refroidissement sont des causes de déséquilibre des écoulements. Cependant, ce procédé fonctionne de manière optimale et contrôlée si l’écoulement de fumée est équilibré.

La simulation numérique en mécanique des fluides et thermique (CFD Computational Fluid Dynamics) permet de tester des solutions de redressement de flux en tenant compte des effets thermiques dus à l’évaporation de l’eau pulvérisée. Les trajectoires des gouttelettes d’eau peuvent être suivies jusqu’à leur évaporation de manière à vérifier que celles-ci ne risquent pas toucher les parois avant leur évaporation et risquer de provoquer des colmatage dus à une accumulation de poussières rendues collantes par l’humidité.

Conditions aux limites - équilibrage réseau

Conditions aux limites et modèles physiques

Un débit est imposé en entrée
Une condition de pression est imposée en sortie
Seule une moitié de la géométrie est modélisée (condition de symétrie)
La turbulence est modélisée
Un débit d’eau sous forme de gouttelettes dont la taille et les caractéristiques d’injection sont données
Les propriétés des fumées dépendent de la température et de leur composition.
L’évaporation des gouttelettes est permise
L’eau évaporée s’évacue dans les fumées sous forme de vapeur d’eau.

Résultats de simulation

Lignes de courant colorées par la vitesse [°C] — Lignes de courant colorées par la vitesse [m/s]

Températures dans le plan de symétrie [°C]

Trajectoire des gouttelettes de leur pulvérisation jusqu'à leur évaporation. Colorées par le temps depuis leur pulvérisation [s] — Trajectoire des gouttelettes de leur pulvérisation jusqu’à leur évaporation. Colorées par le temps depuis leur pulvérisation [s]

Le profil de vitesse présente malgré la présence des tôles déflectrices un flux accéléré sur l’extrados du coude en haut de tour de refroidissement. Une des buses de pulvérisation de gouttelettes d’eau se situe dans ce flux accéléré et les gouttelettes qui y sont issues rejoignent rapidement la conduite de sortie. Tandis que l’autre buse se situe à l’intrados dans une zone peu alimentée où les gouttes d’eau stationnent longtemps voire remontent la tour.

Le risque d’une situation comme celle-ci est d’une part de retrouver des gouttes non évaporées en sortie de l’installation (une des gouttelettes tracée, choisie statistiquement, ressort de l’appareil), d’autre part, des phénomènes d’accumulation de poussières humidifiées par les gouttelettes deviennent possible.

Une solution d’optimisation serait l’allongement de la partie verticale des tôles déflectrices ou l’utilisation d’une grille de répartition au dessous de ces tôles en amont des injections d’eau. C’est cette dernière solution qui est testée par la suite.

Concentration de la vapeur d'eau dans le plan de symétrie [Kgvapeur/Kgfumee] — Concentration de vapeur d’eau dans le plan de symétrie [Kg_vapeur/Kg_fumee]

Influence de la grille de répartition

L’utilisation d’une grille, qui n’est autre qu’une plaque perforée, permet de créer des pertes de charges dans l’écoulement. Les pertes de charges sont fortement dépendants de la vitesse. Les langues de flux accélérés se voient donc imposer une résistance à l’écoulement plus importante que dans les zones de faibles vitesse. Globalement, le flux est donc mieux réparti dans la section de passage. Numériquement, la grille est remplacée par un milieu homogène imposant des pertes de charges équivalentes.

L’homogénéisation est effectivement observée sur l’exemple proposé. La boucle de flux nul voire de recirculation est supprimée et les gouttelettes issues des deux buses sont entraînées dans le flux de la même façon.