Hydrodynamique dans les circuits de refroidissement industriels : influence sur les phénomènes d’encrassement, caractérisation et modélisation - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Hydrodynamics characterization of industrial cooling circuits : influence on fouling phenomena and compartmental modelling

Hydrodynamique dans les circuits de refroidissement industriels : influence sur les phénomènes d’encrassement, caractérisation et modélisation

Abstract

Industrial cooling circuits with wet cooling towers use raw water (from rivers or sea) in order to remove residual heat from industrial processes. Raw water contains suspended matters, chemical and biological species. This water is heated in the circuit condenser and evaporation induces species concentration. That’s why different kind of fouling can be observed in cooling circuits: particulate fouling, chemical reaction fouling and biofouling. Hydrodynamics in the different parts of the circuit strongly influence fouling deposition. This report aims to provide a complete characterization of the cooling circuit hydrodynamics and to model all the fouling phenomena. The Compartmental Modelling approach has been selected doing a critical review of the modelling approaches available in Chemical Engineering. Compartmental modeling is a multi-scale (local and system) approach dividing the studied system into spatially representative hydrodynamic compartments network. Different physico-chemical models can be patched into the compartmental model. To create the compartmental model, it was necessary to characterize the flow characteristics in the different parts of the circuit: condenser tubes, concrete pipes, cooling tower packing and cold water basin. A pilot-scale cooling tower experimental setup has been built to visualize and measure water flow into packing. Mono-phase and multi-phase (Volume of Fluid with solid/liquid contact angle model) Computational Fluid Dynamics simulations have been performed to study hydrodynamics in packing and in cold water basin. All the required information about hydrodynamics in the circuit have been obtained such as velocity, shear stress, phase fraction and water film thickness. The method processed in this work can also be used to characterize different industrial packing. A biofouling growth model has been created considering transport and transfer phenomena limitations into the biofilm and into the liquid bulk. The model has been built taking into account shear stress as main hydrodynamic parameter using experimental data from literature with different geometries and different operating conditions. Finally, the compartment model has been developed using data from hydrodynamic characterization and the biofouling model. This model can simulate and predict biofilm deposition in the different parts of the cooling circuit. The created compartmental model is a suitable approach to study the influence of hydrodynamics behavior on fouling in cooling circuits.
Les circuits de refroidissement industriels à tour aéroréfrigérante humide utilisent de l’eau naturelle (rivière ou mer) pour évacuer la puissance thermique du procédé industriel. L’eau provenant de l’environnement contient des matières en suspension ainsi que des espèces chimiques et biologiques. Elle subit un échauffement dans le circuit de refroidissement et une concentration de ces espèces par évaporation d’eau. Ces circuits sont donc soumis à un encrassement chimique (e.g. tartre), biologique (e.g. biofilm) et/ou particulaire (e.g. dépôts de matières en suspension sur les surfaces). Les écoulements dans les différentes parties du circuit jouent un rôle prépondérant sur la formation des dépôts. L’objectif de ce travail est de caractériser les écoulements dans les différentes parties des circuits de refroidissement et d’en proposer une modélisation pour appréhender les phénomènes d’encrassement. Une étude bibliographique a orienté le choix vers l’approche compartimentale, permettant une modélisation hybride multi-échelle (locale et système) qui découpe un système complexe en compartiments spatialement répartis pour en représenter l’hydrodynamique. Le modèle compartimental peut être implémenté avec tout modèle phénoménologique dépendant de l’hydrodynamique. Pour le construire, il a été nécessaire de caractériser les écoulements dans les parties d’un cas d’étude de circuit de refroidissement : les tubes du condenseur, les conduites en béton de transport de l’eau, le garnissage de la tour aéroréfrigérante et le bassin froid. Un dispositif expérimental à l’échelle pilote d’une tour aéroréfrigérante a été construit pour étudier les écoulements gaz/liquide des garnissages. Des simulations de mécanique des fluides numérique mono et diphasique (Volume of Fluid avec prise en compte des angles de contact) ont été réalisées pour les garnissages et le bassin froid. Des corrélations de la littérature ont permis d’étudier les conduites et les tubes de condenseur. Pour chaque partie du circuit il a été possible de déterminer : les distributions de conditions hydrodynamiques, notamment : vitesse, cisaillement, taux de présence de phase, épaisseur d’eau. Les méthodes mises en place peuvent être étendues à l’étude de tous les types de garnissages industriels. Pour l’encrassement, un modèle de croissance de biofilm tenant compte des limitations au transfert de matière au sein et à l'extérieur du biofilm et de l'effet du cisaillement a été développé sur la base d'informations expérimentales de la littérature sur plusieurs dispositifs industriels et différentes conditions opératoires. Les données hydrodynamiques et le modèle de biofilm ont été assemblés dans le modèle compartimental, qui permet ainsi la simulation du dépôt de biofilm dans l’ensemble du circuit en fonction des conditions de fonctionnement. Le modèle compartimental est donc un outil adéquat pour la modélisation de l’influence de l’hydrodynamique sur l’encrassement des circuits industriels.
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Cite

Nicolas Jourdan. Hydrodynamique dans les circuits de refroidissement industriels : influence sur les phénomènes d’encrassement, caractérisation et modélisation. Génie des procédés. Université de Lorraine, 2020. Français. ⟨NNT : 2020LORR0179⟩. ⟨tel-03176226⟩
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