La conception thermique des tours de refroidissement humides repose encore largement sur les travaux de Merkel de 1925 [1]. Merkel a ramené le transfert couplé de chaleur et de masse dans les systèmes air-eau à un unique processus de transfert piloté par la différence d'enthalpie. Cette réduction rendait le problème soluble à la main, et c'est pourquoi la méthode a traversé un siècle.
Les trois hypothèses sur lesquelles elle repose
- Le facteur de Lewis est pris égal à 1 — le rapport entre les coefficients de transfert de chaleur et de masse est traité comme constant.
- L'eau évaporée est négligée dans le bilan d'énergie — la diminution du débit d'eau n'est pas prise en compte.
- L'air sortant est supposé saturé et caractérisé par sa seule enthalpie.
Kloppers et Kröger comparent les méthodes de Merkel, de Poppe et e-NTU et montrent où et de combien ces hypothèses faussent le résultat [2]. L'approche plus détaillée de Poppe et Rögener abandonne l'hypothèse de saturation et résout l'état réel de l'air sortant.
En pratique, l'écart compte ici : si la quantité d'eau évaporée doit être connue avec exactitude — consommation d'eau, charge de déconcentration, accumulation de sels — Merkel ne suffit pas.
Ce que la CFD apporte à une tour
Merkel et ses descendants sont un calcul de performance du packing, et la caractéristique du packing vient de l'expérience. La CFD a sa place dans ce que ce calcul suppose mais que le site ne fournit pas :
Répartition. Le calcul suppose air et eau répartis uniformément sur le packing. En réalité, l'entrée du ventilateur, les séparateurs de gouttelettes et les éléments de structure la perturbent. L'essentiel de la perte de performance inexpliquée d'une tour se loge ici.
Recirculation. L'air chaud et humide sortant de la tour retrouve le chemin de l'aspiration. Parce qu'il élève la température de bulbe humide, c'est une perte de performance directe, et elle dépend de l'implantation du site, de la direction du vent et des bâtiments voisins — rien de tout cela n'est visible sans modéliser l'environnement extérieur.
Entraînement vésiculaire. Gouttelettes emportées par le courant d'air ; importantes pour des raisons environnementales et de corrosion. C'est un problème de suivi de particules.
Conditions hivernales. Le gel et la formation de glace commencent là où la répartition est la plus faible ; un calcul moyen ne le montrera pas.
Une remarque de modélisation
Résoudre le packing maille par maille n'est ni possible ni nécessaire ; le packing est représenté comme une région poreuse de résistance et de caractéristique de transfert enthalpique connues. Le gain d'exactitude ne se situe pas à l'intérieur du packing mais dans la façon dont le packing est abordé.
Les résultats doivent être comparés à un essai de performance reconnu, et si l'incertitude de mesure est ignorée, l'accord sera fortuit. Voir la note sur vérification et validation.
Références
- Merkel, F. (1925). Verdunstungskühlung. VDI-Forschungsarbeiten No. 275, VDI-Verlag, Berlin.
- Kloppers, J. C. & Kröger, D. G. (2005). Cooling tower performance evaluation: Merkel, Poppe, and e-NTU methods of analysis. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 127(1), 1–7. DOI: 10.1115/1.1787504