Brevet FR2178142A1 — publié le 19731109

L'intérêt habituel pour les échangeurs de chaleur refroidis à l'air ainsi que leur utilisation ont été grandement stimulés par la pénurie croissante en eau de refroidissement et la mise en relation des spécialistes de l'environnement avec la pollution thermique de nos rivières et de nos lacs. Dans les échangeurs de chaleur refroidis à l'air, du type à tubes à ailettes, le fluide de procédé qui est à refroidir s'écoule à l'intérieur des tubes. Des ailettes sont fixées à ltextérieur des tubes et l'air ambiant est soufflé à travers ces ailettes à l'aide d'un ventilateur. On désire généralement refroidir le fluide de procédé de façon aussi éoonomique que possible, la limitation étant la température de l'air ambiant.Le groupement de rangées de tubes dans la direction du flux d'air est un moyen efficace de réduire la différence entre la température de sortie de l'air et la température de sortie du fluide de procédé, mais on a trouvé que la dernière rangée de tubes à ailettes est moins efficace au point de vue transfert de chaleur que la rangée précédente qui, à son tour, est moins efficace que la rangée précédente etc. mome si le codt de l'échangeur et en m8me temps la baisse de pression de l'air sont proportionnels au nombre de rangées.En consequen- ce, au fur et à mesure que la différence de température entre l'air de sortie et le fluide de procédé à la sortie est réduite et que le nombre de rangées de tubes est augmenté, le coQt et la chute de pression deviennent rapidement prohibitifs, si bien qu'en pratique la différence de température usuelle est calculée pour ne pas être inférieure à environ la moitié de la différence entre la température de l'air entrant et la température à la sortie du fluide. L'augmentation de température de l'air est approximativement la même que cette différence de température, si bien qu'une grande quantité d'air est nécessaire pour retirer une quantité relativement petite de chaleur au fluide.La baisse de pression du o8té air est proportionnelle au produit du nombre de rangées de tubes par le carré de la vitesse de l'air au travers de l'échangeur, donc la vitesse au travers de l'échangeur doit être nécessairement très faible si la baisse de pression doit se trouver dans un domaine compatible avec un ventilateur à grand volume. La combinaison d'uns grande quantité d'air et d'une faible vitesse de l'air exige un échangeur de chaleur présentant une très grande surface frontale. Les tubes et ailettes occupent généralement environ 50 0 du volume de l'échangeur; par suite, la vitesse réelle de l'air au travers des tubes et ailettes est environ deux fois la vitesse sur la face extérieure.Il n'y a pas de moyens connus pour commander ou diriger le flux f d'air vers les surfaces (ou venant des surfaces) de ce type l'échangeur; le double changement de la vitesse provoque un inévitable et brusque rétrécissement ou élargissement, et il en résulte une perte le charge permanente d'environ la moitié de la différence entre les pressions cinétiques. Pour simplifier l'installation, l'échangeur de chaleur est souvent disposé de façon que sa face et la face du ventilateur soient dans un plan horizontal; la surface projetée au sol est alors maximale. Le ventilateur qui entraîne l'air sur les surfaces des ailettes de ltéchangeur de chaleur est généralement disposé pour tirer l'air au travers de l'échangeur. On sait qu'il s'agit dans ce cas d'un échangeur à air forcé. Le ventilateur évalue ue cet air à l'atmosphère. Afin de diminuer la perte de charge permanente, la vitesse d'évacuation du ventilateur doit être faible, ce qui nécessite l'usage d'un ventilateur de grand diamètre. Si on utilise un ventilateur de plus petit diamètre ayant une vitesse d'évacuation plus grande, la vitesse relativement grande d'évacuation de l'air doit Être réduite par un cône divergent de façon à regagner en pression statique.Cette façon de faire a des limites puisque, pour être économique, le procédé du cône ne doit pas être trop efficace et que si le rapport des surfaces entrée-sortie du ozone divergent est trop grand, les pertes de charge permanentes sont encore notablement augmentées. Dans tous les cas, si la vitesse de l'air qui quitte le système est la même aussi bien pour le grand que pour le petit ventilateur, le diamètre de sortie du cône divergent doit être le même que le diamètre du grand ventilateur, et la projection de la surface au sol qui est occupée par le ventilateur à faible vitesse et à grand diamètre, est identique à la surface qui est occupée par le cône divergent du ventilateur, à grande vitesse et petit diamètre. Cette surface projetée est la plus petite surface de base qu'il soit possible d'avoir avec un échangeur refroidi à l'air avec tubes à ailettes, pour un rendement donné.Afin de s'accorder avec cette surface projetée, ltéehangeur doit être disposé de façon que sa face soit inclinée sur l'horizontale d'un angle tel que la longueur de l'échangeur multipliée par le cosinus de l'angle soit égale au diamètre du ventilateur. Même cette surface minimale est très grande et constitue un obstacle majeur à l'utilisation des échangeurs de chaleur refroidis à 1 'air. Un type couramment utilisé d'échangeur à ailettes en pla ques est du type à flux croisés, dans lequel un fluide de procédé à refroidir s'écoule entre deux plaques minces, planes et parallèles, oonduotrices de la chaleur. L'espace entre les plaques est fermé par des parois latérales pleines et est ouvert aux extrémités pour permettre au fluide de s'écouler au travers du passage ainsi constitué. Un fluide de refroidissement, par exemple l'air ambiant, s'écoule au travers d'un passage qui est formé de façon semblable entre l'une des plaques planes précédemment mentionnées et une autre plaque plane mince parallèle. Les extrémités de ce passage de l'air sont ouvertes pour permettre son éooulement et sont alignées aveo les parois pleines du passage du fluide. Les c6tés de ce passage de l'air sont fermés par des parois pleines et sont alignés avec les extrémités ouvertes du passage du fluide. Par suite, l'air s'écoule le long de passages alternés à angle droit avec le flux du fluide, d'où le terme de "flux croisés". L'éohangeur est constitué par l'empilement d'un grand nombre de passages du fluide et de passages de l'air. L'échange de chaleur entre le fluide et l'air se produit au travers des plaques minces qui sont communes aux deux passages. L'échange de chaleur entre le fluide et les plaques planes d'une part et entre l'air et les plaques planes d'autre part, est fortement intensifié par l'usage de nombreuses ailettes minces qui sont perpendiculaires et contiguës aux plaques minces sur les deux faces des passages, d'où le terme "ailettes en plaques". La face côté air de ltéchangeur consiste en un certain nombre de fentes rectangulaires ouvertes au travers desquelles passe l'air. Chaque fente est séparée des passages d'air contigus par des reotangles pleins, longs et étroits qui constituent les parois latérales des passages du fluide. Par exemple, la section réelle de l'écoulement au travers des passages à air est environ 50 % de la surface frontale de l'échangeur, si bien que l'air subit une brusque diminution de moitié de sa section d'écoulement en entrant dans les passages à air de l'échan- geur et une brusque augmentation au double de sa section d'écoulement quand il quitte les passages à air. La brusque diminution de la section d'écoulement à l'entrée dans l'échangeur provoque une perte de charge permanente d'environ 50 % de la pression cinétique due à la vitesse d'arrivée à la face de l'échangeur et l'augmentation brusque de la section de l'écoulement à la sortie de l'échangeur provoque une perte de charge permanente qui est approximativement égale à la pression cinétique due à la vitesse de l'air dans les passages. Comme dans les échangeurs du type à tubes à ailettes, la baisse de pression côté air, dans un échangeur à ailettes en plaques, est proportionnelle au produit du carré de la vitesse de passage de l'air par la longueur du passage. Toutefois, contrairement à l'échan- geur du type à tubes à ailettes, dans la direotion du flux d'air, le dernier élément de la surface de l'échangeur est exactement aussi efficace que le premier élément, et à cause de la construction à ailettes en plaques, le coQt du dernier élément est en réalité inférieur à celui du premier. Il est donc possible d'utiliser une différence beaucoup plus petite, entre la température de sortie de l'air et la température de sortie du fluide de procédé que ne l'exigent les raisons économiques avec un échangeur du type à tubes à ailettes. Par suite, l'augmen- tation de température de l'air peut être plus grande et le flux nécessaire peut être en conséquence plus petit. Par exemple, le flux d'air peut être environ 40 % du flux d'air qui est nécessaire pour un échangeur du type à tubes à ailettes de performances calorifiques comparables, mais la chute de pression c6té air au travers des passages de l'air peut être deux fois et demie celle de l'échangeur à tubes à ailettes, du fait que la vitesse de l'air est notablement plus grande dans le passage et qu'il y a une plus grande longueur de passage.La puissance du ventilateur nécessaire pour faire circuler l'air au travers des passages est, par exemple, à peu près la même pour les échangeurs à tubes à ailettes et pour les échangeurs du type à ailettes en plaques. Un ventilateur capable de fournir ia combinaison requise de haute pression et de flux lent est nécessairement de petit diamètre et travaille à grande vitesse, avec une très grande vitesse d'évacuatIon. Ainsi qu'il a été expliqué plus haut, dans un échangeur à tirage forcé, même si cette grande vitesse de l'air est ralentie par un cône de fagon aussi économique que possible, la perte de charge permanente à l'évQoua- tion du système est encore très substantielle et, quand on y ajoute la perte de charge au travers des passages, on ne peut pas normalement la tolérer Darse un échangeur à ai forcé dans lequel l'air est soufflé au travers d d'urus échangeur incliné, il y a perte de charge permanente quand la vitesse élevée de l'air est ralentie par un cône; la perte de charge permanente qui apparat t est due aux changements brusques dans la direotion du flux d'air; elle est due à la compression brutale quand l'air entre dans l'échangeur et à la décompression brutale quand l'air quitte l'échangeur. Ces pertes sont également trop grandes pour être normalement tolérées. Par conséquent, et sauf dans des cas spéciaux, les échangeurs à ailettes en plaques ne sont pas utilisés comme échangeurs refroidis à l'air. La présente invention concerne un distributeur d'air de sortie et un distributeur d'air à l'entrée qui modifie la trajectoire du flux d'air à l'entrée et à la sortie d'un échangeur refroidi à l'air du type à ailettes en plaques à air forcé en flux croisé. Comme il a été mentionné plus haut, la face côté air de ltéohangeur est constituée d'un certain nombre de fentes ouvertes, longues, étroites et rectangulaires, qui sont séparées par des rectangles pleins, longs et étroits constituant les parois des passages du fluide de procédé en flux croisés. La surface du flux d'air est, par exemple, 50 % de la surface frontale de l'échangeur. Normalement, dans un échangeur refroidi à l'air par tirage forcé, l'air sort des passages à air de ltéchangeur directement dans l'atmosphère et, à cause du doublement brusque de la section du flux, supporte une perte de charge permanente qui correspond à la pression cinétique du passage de l'air. Le distributeur d'air extérieur, conforme à l'invention, élargit graduellement la surface d'écoulement par laquelle passe l'air au moment où il quitte les passages à air, si bien que, quand l'air quitte le distributeur et finalement est évacué dans l'atmosphère, sa vitesse est par exemple la moitié et sa pression cinétique environ 1/4 de ce qu'ils sont au niveau des passages de l'air.La pression cinétique de l'air qui quitte le distributeur constitue encore une perte de charge permanente, mais cette perte est d'une grandeur qui peut être facilement tolérée. Le distributeur d'air de sortie agrandit la surface pour le flux d'air de sortie en disposant sur chaque surface rectangulaire pleine, longue et étroite de la face de sortie de l'air de l'échangeur, un obstacle profilé allongé à section droite triangulaire. La base du triangle est égale à la distance entre les fentes ouvertes adjacentes et la hauteur du triangle est telle que l'angle compris entre les faces des obstacles profilés (environ 100) permette de récupérer le maximum de pression statique. On a mentionné plus haut qu'un optimum est atteint dans la construction d'un échangeur à ailettes en plaques, refroidi à l'air, quand on utilise un ventilateur de petit diamètre et à grande vitesse, que la plus petite projection de la surface au sol que peut occuper un échangeur à grande vitesse est équivalente au carré du diamètre du ventilateur et que l'entrée de l'échangeur doit être inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle tel que la projection de la longueur de l'entrée tombe à l'intérieur du carré du diamètre Quand on nteffec- tue auoune modification sur la trajectoire de l'air à l'entrée, la brusque réduction de moitié cause à l'air entrant une perte de charge permanente dont la valeur est à peu près la moitié de la pression oinéti- que de l'air à grande vitesse qui est évacué par le ventilateur, et la modification brusque de direction. due à l'inclinaison de l'échangeur, cause à l'air entrant une perte de charge permanente qui est à peu près équivalente à une pression cinétique correspondant à la grande vitesse de l'air qul est évacué par le ventilateur. Dans un échangeur non modifiéS la somme des pertes de charge permanentes rend la disposition optimale impraticable. Conformément à l'invention, le distributeur d'air à l'entrée augmente efficacement et graduellement la section du flux nécessaire à l'évacuation d'air du ventilateur à grande vitesse, de sorte que la vitesse de l'air à l'entrée des passages à air de cet échangeur est, par exemple, réduite à environ 47 % de la vitesse d'évacuation du ventilateur et que la pression cinétique de l'air qui entre dans l'échangeur représente en conséquence environ 22 $ de oelle de l'air évacué par le ventilateur. Le distributeur change la direction et en même temps réduit la vitesse du flux d'air à grande vitesse et en méme temps il élimine la réduction brutale de la section à l'entrée de l'échangeur. I1 élimine la brusque diminution à l'entrée en utilisant des obstacles profilés triangulaires semblables à ceux décrits pour le distributeur d'air de sortie; il ramène en même temps la grande vitesse de l'air d'évacuation du ventilateur à la vitesse de l'air dans les passages en utilisant un nombre suffisant d'aubes convenablement courbées, qui sont placées entre les faces inclinées des obstacles profilés adjacents, et en augmentant ensuite graduellement la section du flux d'air; et en même temps, il modifie la direction de l'air, de sorte que l'air à basse vitesse qui en résulte est guidé tout droit dans les passages d'air. Les aubes sont disposées de façon à être serrées les unes contre les autres, du côté du flux d'air à grande vitesse et sont courbées de façon à être beaucoup plus éloignées les unes des autres, vers l'entrée des passages de l'échangeur de température incliné. Les mêmes aubes, par suite, accomplissent une double fonction: elles modifient graduellement et sans à-coups la direction du flux d'air et, en même temps, elles augmentent graduellement et sans à-coups la section du passage au travers duquel le flux d'air traverse l'échangeur. I1 résulte de l'augmentation graduelle et sans à-coups de la section de passage qu'unie grande partie de l'énergie cinétique du flux d'air rapide venant du ventilateur à grande vitesse est transformée efficacement en pression statique, avec un minimum de perte de charge permanente. I1 a été exposé ci-dessus que le flux d'air nécessaire à un échangeur optimal à ailettes en plaques représentait par exemple environ 40 % du flux d'air nécessaire à un échangeur comparable, à tubes à ailettes. Quand les distributeurs d'entrée et de sortie conformes à l'invention sont utilisés pour modifier l'échangeur, les pertes de charge permanentes du système sont, par exemple, telles que la puissance du ventilateur nécessitée par un échangeur à tubes à ailettes à faible chute de pression et à grand volume est approximativement la même que la puissance de ventilateur nécessaire à un échangeur à ailettes en plaques à tirage-foroés à forte chute de pression et à petit volume, même si un ventilateur à grande vitesse et à petit diamètre est utilisé pour ce dernier.Par exemple, la vitesse d'évacuation du ventilateur à grande vitesse est presque trois fois la vitesse d'évacuation du ventilateur qui est utilisé dans l'échangeur à tubes à ailettes, si bien que la combinaison d'un petit flux et d'une grande vitesse d'évaouat on se traduit par un échangeur à ailettes en plaques optimal qui occupe une surface projetée au sol d'environ 1/7 de la surface occupée par un échangeur à tubes à ailettes optimal d'efficacité comparable. Quand on utilise un échangeur modifié refroidi à l'airs à ailettes en plaques, dans un condenseur de réfrigération, ce qui constitue une utilisation importante de la présente invention, il est économique d'utiliser un condenseur à deux ou plusieurs -tagQss Suisqutil faut la meme surface au sol que pour un sel eage de ccnlensatlon et que le oodt supplémentaire de l'échangeur, qui est lié à 1G nécessité de prévoir un étage initial à température plus basse, est plus que compensé par ltéoonomie nette de puissance qui est due à la condensation à deux étages. Par exemple, avec un système de réfrigération qui utilise un condenseur refroidi à l'air, qui a deux étages d'évaporation, à 1800 et 80C, et qui utilise l'air ambiant à 350C dans le condenseur, la jouissance totale nécessitée par le système qui utilise un condenseur à deux étages, à 45 C et 54au, atteint seulement 89 %0 de-la puissance qui est nécessaire dans un système de condenseur à simple étage qui condense à 540C, même si les dimensions du ventilateur et le flux d'air sont les mêmes.Dans le cas de deux étages, la vapeur de l'évaporateur à 90C est condensée à 450C et la vapeur de l'évaporateur à 1800 est condensée à 5400. I1 est donc possible économiquement d'adapter le nombre d'étages de condenseur au nombre d'étages d'évaporateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en perspective d'un échangeur typique à ailettes en plaques à flux croisés; - la figure 2 représente une vue latérale en élévation d'un échangeur à ailettes en plaques refroidi à l'air, à air forcé; - la figure 3 représente une sue latérale agrandie d'une portion de l'échangeur modifié, montrant les obstacles profilés et les aubes de déflexion, et - la figure 4 représente une coupe agrandie de l'échangeur modifie, selon la ligne 4-4 de la figure 3. La figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur typique 1 à flux croises dans lequel les passages du flux d'air sont représentés en 2. Les passages du fluide de procédé, qui sont à 900 des passages de l'air, sont représentés en 3. Comme il est d'usage, les parois lat6- rales sont propres à chaque unité. Les parois latérales pour les passages de l'air sont référencées 4 et les parois latérales pour les passages du fluide, 5. Dans chaque unité, il y a des plaques minces et planes 6, avec des ailettes sinueuses 7 situées entre les plaques et reliées à oelles-ci. Comme d'habitude, il y a une plaque plane 6 de plus que le nombre de sections. La figure 2 est une vue latérale en élévation d'un eohangeur 1 à ailettes en plaques refroidies à l'air, à air forcé, modifié conformément à la présente invention Un flux d'air est produit par un ventilateur 10 relativement petit, à grande vitesse, entraîné par un moteur 11 qui souffle l'air ambiant 12 au travers d'un redresseur ou corps 13 conventionnel et au travers d'un transformateur 14 de section ronde en section carrée. Le moteur du ventilateur et l'ensemble de l'échangeur sont supportés par un bâti 15, qui est représenté schématiquement. L'échangeur de chaleur 1 forme avec l'horizontale un angle tel que la projection de oes côtés tombe à l'intérieur de la section du flur d'air.La trajeotoire du flux d'air à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est modifiée par la présence d'ostacles profilés 8 de forme généralement triangulaire et d'aubes de déflexion 9. La figure 3 est une vue agrandie d'une portion de l'échangeur de chaleur, l'élévation étant essentiellement à angle droit avec l'échangeur de chaleur montré sur la figure 1. On voit que là où les aubes pénètrent dans le flux d'air venant du ventilateur, elles sont très serrées l'une par rapport à l'autre; en d'autres termes, les passages sont nettement étroits. Quand l'air change de direction, les aubes stéoartent les unes des autres, si bien que, lorsque l'air entre dans les passages 2 de l'échangeur de chaleur, il a été notablement ralenti et qutune partie de sa vitesse cinétique a été transformée en pression statique. La courbure adouoie des aubes provoque le changement de direction du flux d'air, ce qui évite un changement brusque de direction et diminue les pertes par frottement. La figure 4 est une section droite de la figure 3 et montre les passages à air 2 ainsi que les ailettes et les passages 3 du fluide. Comme la coupe est faite au milieu d'un passage à air, les ailettes 7 ne sont pas visibles. Après passage au travers de l'échangeur de chaleur, la vitesse de progression du flux d'air diminue encore plus à cause de l'augmentation de la section due aux obstacles profilés 8 sur le c8té sortie et ainsi, quand les filets d'air, dont l'un est signalé par la flèche 16, pénètre dans l'atmosphère, le flux est réduit doucement aveo un minimum de frottement et par suite avec un minimum de perte. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'âtre décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur à ailettes en plaques, refroidi par un gaz, comportant les moyens de fournir un gaz de refroidissement à une vitesse plus élevée que la vitesse dans les passages dudit échangeur de chaleur, caractérisé en ce que les moyens sont procurés à l'entrée de chacun des passages du gaz, pour réaliser à la fois un changement de direction du flux de gaz de refroidissement fourni et pour réduire notablement sa vitesse afin de la ramener à la vitesse du flux au travers des passages du gaz de refroidissement, lesdits moyens de changement de la direction du flux étant dimensionnés pour produire un changement de direction adouoi sans modification brusque, les pertes de pression dans le gaz de refroidissement étant minimisées. 2 - Echangeur à ailettes en plaques, refroidi par gaz, comportant les moyens d'envoyer un gaz de refroidissement au travers des passages correspondants dudit échangeur de chaleur, caractérisé en ce que les moyens sont procurées à la sortie de chaque passage au travers de 1!échangeur de chaleur pour réduire douoement et graduellement la vitesse du gaz avant qutil soit introduit dans l'atmosphère, 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de changement de direction du flux du gaz de refroidissement comprennent des aubes qui sont courbées et positionnées pour augmenter graduellement et doucement la section du gaz entre elles, une part importante de la pression cinétique du gaz étant transformée en une augmentation de la pression statique à l'entrée des passages du gaz de refroidissement au travers de ltéchangeur de chaleur. 4 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les moyens pour fournir un gaz de refroidissement produisent un flux d'une section prédéterminée et que l'échangeur de chaleur fait un certain angle avec l'axe dudit flux, la projection de la surface de l'échangeur de chaleur sur la section dudit flux étant rendue minimale. 5 - Echangeur de chaleur selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de fournir un gaz de refroidissement dans les passages correspondants est un ventilateur.