Depuis la centrale nucléaire de Springfield jusqu'aux doubles triples de la gare de Didcot en Angleterre (qui ont déjà été démolies), ces installations se sont distinguées par la forme de leurs tours de refroidissement. Le terme formel pour les décrire est hyperboloïde, mais la vraie question est : pourquoi ne sont-elles pas plus droites et n'adoptent-elles pas la configuration d'une cheminée traditionnelle ? Le point est dans le mot « refroidissement », et la dernière vidéo de Practical Engineering l'explique à la perfection.
Les centrales thermiques peuvent utiliser différents types de combustibles, mais leur objectif général est généralement le même : convertir l'eau en vapeur, qui est ensuite injectée/transférée à une série de turbines pour produire de l'énergie. Or, sur ce site, nous obéissons aux lois de la thermodynamique (!), et les centrales thermiques aussi. Toute cette vapeur doit être refroidie d'une manière ou d'une autre pour répéter le cycle, et consommer de l'énergie excessive dans le processus n'a pas de sens.
Certaines centrales exploitent certaines caractéristiques locales comme les rivières et les lacs (l'État du Texas en offre plusieurs exemples), mais les autres doivent construire des tours de refroidissement. Il existe de nombreux designs avec un profil plus « traditionnel », pour ainsi dire, mais Grady de la chaîne Practical Engineering a décidé de se concentrer sur le concept de tour hyperboloïde et de créer un modèle réduit chez lui. Pourquoi la tour a-t-elle « cette » forme ?
(Note de la rédaction : sous-titres en anglais. Pas idéal, mais on peut regarder.)
Tour hyperboloïde à tirage naturel : comment ça marche ?
L'un des premiers détails est que la base de la tour n'est pas fermée. Le modèle de Grady comporte plusieurs trous, et ils sont faciles à trouver dans les versions réelles. L'air froid entre dans la tour et entre en contact avec l'eau, mais cela ne suffit pas : un système de pulvérisation combiné à une couche de matériau qui augmente la surface du liquide permet d'optimiser tout le processus.
C'est ici que nous passons à la section la plus complexe de la vidéo. Grady utilise un diagramme psychrométrique pour expliquer quelque chose que tout le monde ne se rappelle pas : l'air chaud monte… et il en va de même pour l'air humide. Si la température et la pression restent constantes, mais que nous augmentons l'humidité de l'air, sa densité diminue. Les molécules d'eau (18,01528 g/mol) sont plus légères que l'azote et l'oxygène de l'air (28,96 g/mol, incluant d'autres gaz), ce qui nous amène au monde fascinant du transfert de chaleur par convection.
L'eau chaude transfère sa chaleur à l'air. À son tour, elle devient plus flottante, se déplace vers le haut de la tour et permet à l'air frais d'entrer par la base, mais une partie de l'eau chaude s'évapore, éliminant encore plus de chaleur du liquide et rendant l'air encore plus flottant. Le plus impressionnant est que les tours permettent ce processus avec une quantité minimale de composants (pompes, systèmes de contrôle, etc.). En d'autres termes, les tours sont essentiellement des « machines à nuages ».
En ce qui concerne les raisons du design hyperboloïde, elles sont multiples. Tout d'abord, une base large permet une plus grande entrée d'air, le « rétrécissement » en son centre accélère le flux ascendant, et l'ouverture large en haut stimule le mélange de l'air chaud et humide avec l'air froid extérieur. Cependant, le principal avantage est structurel : en termes simples, plus la tour est grande, mieux elle fonctionne, mais elle a aussi besoin de parois minces, qui optimisent le flux d'air et réduisent les coûts. Un cylindre haut et à parois minces est faible (par exemple, une canette de soda sans pression), tandis que la double courbure de l'hyperboloïde renforce la structure contre les charges verticales (son propre poids) et horizontales (vent).
La vidéo de Grady se termine par d'autres exemples de refroidissement, mais il ajoute que l'adoption de la tour hyperboloïde dans les centrales nucléaires répond à son échelle : avec une exploitation d'environ 50 ans en moyenne, les économies de construction et de fonctionnement à long terme sont significatives. De plus, elles sont plus stables, réduisant toute possibilité de défaillance dans un système aussi délicat que le système de refroidissement d'une centrale nucléaire.
