Etude des conditions de température

Étude des conditions de température

 

Comme expliqué précédemment, nous avons choisi une température de travail de 10°C. Dans cette partie, nous avons voulu démontrer s'il était possible de maintenir une telle température dans les bassins en vue des conditions climatiques de la zone étudiée.

Dans un premier temps nous avons déterminé si cette température pourrait être maintenue au sein des bassins, lorsque ces derniers sont à l'air libre. Nous avons calculé, pour chaque bassin, les pertes et les gains thermiques. Ainsi nous pourrons voir, s'il est indispensable de couvrir ou non la partie biologique du traitement.

  • Calculs préliminaires

Plusieurs considérations ont été faites pour mener à bien nos calculs. Tout d'abord nous avons considéré des bassins d'une profondeur de 3 m (notée $H$) avec une paroi bétonnée de 20 cm d'épaisseur.​​ De plus, les effluents dans le système sont assimilés à de l'eau. Toutes les propriétés relatives à cette dernière seront donc utilisées dans les calculs. 

  • ​​Température d'entrée des effluents

​​Les eaux usées en entrée de station d'épuration présentent des températures qui peuvent être relativement basses, de l'ordre de 3°C. Ces eaux sont mélangés aux eaux de recirculation qui sont maintenues à 10°C ainsi qu'aux eaux parasites fixées à une température de 5°C. Une température moyenne peut alors être calculée en pondérant par les débits associés.

On obtient ainsi une température moyenne de 8,7°C.

  • Coefficient thermique de convection ($h$)

De façon à déterminer les pertes thermiques liées à la convection au sein des différents fluides, le calcul du coefficient thermique de convection ($h$) s'est avéré indispensable.

Pour l'air, après des recherches bibliographiques nous avons fixé la valeur de ce coefficient à 15 W/m2/°C.

Pour l'eau, un calcul nous a été nécessaire. Ce calcul, faisant intervenir le nombre de Reynolds, nous avons déterminé ce dernier pour une cuve agitée. Les relations suivantes ont été utilisées.

$$Re=\frac{{d_a}^2.N.\rho_l}{\mu_l}$$

Où:

$d_a$ représente le diamètre du système d'agitation, ce dernier est égale à $\frac{H}{3}$ 

$N$ est associé à la vitesse de rotation de l'agitateur soit 0,6 tour/s pour l'aérobie et de 0,1 tour/s pour la zone anoxie.

$\rho_l$ et $\mu_l$ sont respectivement la masse volumique et la viscosité de l'eau à 10°C

$$h=\frac{\lambda_{eau}}{d_c}.0{,}74.(Re)^{\frac{2}{3}}.\left(\frac{{Cp_{eau}}.\mu_l}{\lambda_{eau}}\right)^{\frac{1}{3}}$$

Où:

$\lambda_{eau}$ : conductivité thermique de l'eau à 10°C

$d_c$ : diamètre de la cuve

$C_p$ : capacité thermique massique de l'eau

On obtient ainsi une valeur du coefficient thermique de convection pour l'eau de 891 W/m2/°C.

  • Calcul du débit d'air à insuffler​​

​​Dans la partie "Dimensionnement des bassins" nous avons déterminé la quantité d'oxygène nécessaire au traitement aérobie, à une température de travail de 10°C. Nous pouvons ainsi calculer le débit d'air ($Q_{air}$) associé. Ce dernier étant d'environ 7150 m3/j.

  • ​Calcul des pertes thermiques

​​Plusieurs pertes thermiques ont été prises en compte:

- une perte thermique liée à l'arrivée des effluents (eaux usées + eaux parasites) à faible température

- une perte au niveau de la surface des bassins entre l'eau et l'air extérieur (convection)

- une perte au niveau de la paroi bétonnée des bassins. Cette perte est associée à deux phénomènes: de la convection au sein des fluides (eau et air extérieur) et de la conduction propre à la paroi.

  • Perte thermique liée à l'arrivée des effluents

​​Nous avons calculé ces pertes grâce à la formule suivante:

$$\Phi=Q_2.Cp_{eau}.\Delta T$$

Où:

$\Delta T=10-8,7$

  • Perte au niveau de la surface des bassins

​​De manière générale les pertes thermique se calculent de la façon suivante:

$$\Phi=\frac{\Delta T}{R_{tot}}$$

$R_{tot}$ correspond à la somme des résistances dues à la convection ($R_{convection}$) au sein des deux fluides.

​​$R_{convection}=\frac{1}{h.S}$ avec $S$ la section du bassin

  • Perte au niveau de la paroi

​​Nous avons considéré la même formule générale que dans le calcul précedent à la différence près que, dans le cas présent, la somme des résistances doit tenir compte également de la conduction au niveau de la paroi.

Ainsi,

$$R_{tot}=R_{convection}+R_{conduction}$$ 

Avec $R_{conduction}=\frac{e}{\lambda_{béton}.s}$ dans ce cas $s$ est la surface de la paroi.

  • Calcul des gains

Nous avons considéré que le seul apport énergétique du système se fait par l'insufflation d'air au niveau du bassin d'aération. Ainsi la zone d'anoxie est dépourvue de gain thermique.

La formule ci-dessous a été utilisée pour le calcul:

$$\Phi=\eta.Q_{air}.Cp_{air}.\Delta T$$

Avec:

$\eta$ correspond à un rendement de transfert air/eau que nous avons fixé à 0,5 

$\Delta T= T_{entrée}^{air}-T_{sortie}^{air}$, nous avons supposé que l'air insufflé entre à 20°C et ressort à 10°C.

  • Résultats obtenus

Nous avons voulu estimer l'influence des températures extérieures sur les pertes thermiques et ainsi voir si les gains thermiques sont suffisants au maintien de la température de 10°C dans les bassins.

Pour plus de clarté les résultats sont présentés sous forme de graphique.

$$\underline{\Phi_{aérobie}=f(T_{air})}$$

D'après le graphique, nous pouvons remarquer que le gain thermique ne permet pas de compenser les pertes. Toutefois concernant le gain nous constatons à partir d'une température de travail de 10°C une augmentation. Cette dernière est due au fait que l'air soit plus chaud que l'eau dans le bassin et donc la réchauffe. Nous ne pouvons maintenir une température de 10°C dans le bassin en laissant celui-ci à l'air libre.

$$\underline{\Phi_{anoxie}=f(T_{air})}$$

Les mêmes observations peuvent être faites pour la zone anoxie. Jusqu'à une température extérieure de 10°C, aucun apport énergétique n'est présent du fait de l'absence d'aération.

Au vu des résultats, il s'avère nécessaire de couvrir les bassins pour limiter les pertes thermiques. Cependant la perte majeure au niveau des bassins est due à la différence de température entre la température moyenne des effluents et la température de travail que nous souhaitons maintenir dans les bassins.

Nous avons supposé que la température de l'air en sortie de bassin était de 10°C, l'air s'échappant du bassin permet donc de conserver une température d'environ 10°C dans le bâtiment. Les pertes au niveau de la paroi et au niveau de la surface des bassins sont donc nulles.

En vue de cette configuration, nous avons voulu déterminer la température que nous pouvions obtenir dans le bassin grâce à l'insufflation d'air. Nous obtenons ainsi une température de 8,7°C.

Plusieurs solutions peuvent être proposées pour ce problème de température : 

- tout d'abord, le dimensionnement des bassins à la température de travail de 8,7°C. Toutefois, ce choix conduira à une augmentation du volume des ouvrages et donc du coût global de construction. De plus, ceci constituerait un surdimensionnement des bassins de traitement pour des périodes de l'année où les températures sont plus élevées. 

- d'autre part, un chauffage des effluents en entrée de station pourrait être réalisé afin d'amener à une température de travail de 10°C. C'est cette solution qui nous paraît la plus adaptée à notre projet. Nous décidons alors de calculer la puissance à fournir aux effluents pour atteindre cette température. 

Dans ce cas, nous obtenons une puissance de 700 kW à fournir aux effluents (eaux usées + eaux parasites) en entrée de station de façon à atteindre la température escomptée. Il serait intéressant de placer un système de régulation de température en entrée de façon à chauffer seulement lorsque la température des effluents est inférieure à 10°C. 

Pour apporter cette énergie, plusieurs solutions peuvent être proposées. Tout d'abord, l'emploi d'énergie au niveau de la centrale solaire Themis à Targasonne. Cette centrale est, en effet, à proximité de la zone et constitue aujourd'hui une énergie intéressante respectueuse de l'environnement. Des panneaux solaires pourraient également être employés au niveau même de la station. En effet, la zone géographique bénéficie d'un fort ensoleillement toute l'année.