Brevet FR2200491A1 — publié le 19740419

La présente invention concerne essentiellement des condenseurs refroidis par air et plus précisément de tels condenseurs perfectionnés destinés à la condensation de la vapeur d'eau ou d'une autre vapeur d'une seule substance pratiquement, à une pression proche de la pression atrnosphérique ou inférieure à celle-ci, par exemple de la vapeur d'eau en dépression provenant de la sortie d'une turbine. Dans les condenseurs refroidis par air du type décrit, les rangées de tubes sont disposées pour un seul passage, c'est-à-dire qu'ils sont reliés en parallèle à un distributeur et un collecteur placés aux extrémités opposées. Ainsi, on nta pas placé les rangées de tubes de manière qu'ils assurent plusieurs passages pour limiter la perte de charge. Ainsi, un dispositif à plusieurs passages nécessite des tubes relativement courts donc un nombre accru de distributeurs et de collecteurs si bien que le prix global est accru. Dans le cas où les rangées successives de tubes d1un condenseur à un seul passage sont disposées dans la direction d'écoulement de l'air, la température de l'air augmente lors du passage le long des tubes si bien qu'il existe un gradient de température entre l'air et la vapeur dteau ou d'une autre substance, présente dans les tubes des rangées successives. En conséquence, initialement au moins, des quantités inégales de vapeur d'eau se condensent dans les tubes des rangées, la quantité la plus grande se condensant dans les tubes des rangées qui sont d'abord au contact de l'air, des quantités de plus en plus faibles se condensant dans les tubes dans les rangées placés successivement au contact de l'air. Cependant, comme les tubes de la première rangée au contact de l'air peuvent condenser une quantité de vapeur supérieure à celle que condensent les tubes des autres rangées, ils aspirent une certaine quantité de vapeur des tubes des rangées suivantes et essentiellement dans la dernière rangée qui est au contact de l'air. La même considération s'applique, dans une moindre mesure, aux tubes des rangées successives, jusqu'à la dernière rangée. On sait que la vapeur d'eau en dépression entratne une petite quantité d'air et d'autres gaz non condensables, et conime la vapeur d'eau pénètre dans les tubes des rangées aux deux extrélaités, les gaz non condensables restent piégés dans les tubes après condensation. Au bout d'un certain temps, l'accumulation de l'air dans les tubes réduit la pression partielle de la vapeur d'eau donc la température de saturation de celle-ci. De plus, le coefficient de condensation en films à l'intérieur des tubes est réduit considérablement du fait de la protection des surfaces internes des tubes par les gaz non condensables. Si ces conditions se maintiennent, les tubes de la première rangée et dans une moindre mesure ceux des rangées successives jusqu'à la dernière, condensent de moins en moins de vapeur d'eau. Il peut meme arriver que les tubes de toutes les rangées condensent la quantité d'veau que la dernière rangée peut condenser, si bien que l'opération est très peu rentable. De plus, dans le cas où le condenseur condense de la vapeur en dépression provenant de la sortie d1une turbine et est destiné à certaines caractéristiques à une température ambiante élev-e,la vitesse du courant d'air qui passe au niveau des tubes peut nécessiter une réduction lorsque les températures ambiantes sont très basses, de manière que la contre-pression minimale nécessaire au fonctionnement de la turbine soit maintenue. Cette opération provoque une augmentation correspondante de la température de l'air au niveau du faisceau et finalement accroet l'accumulation de l'air et des autres gaz non condensables dans les tubes de la première et dans une moindre mesure dans les tubes des rangées successives jusqu'à la dernière.En conséquence, la pression partielle de la vapeur dteau dans ces tubes donc sa tempérauure de saturation peuvent être réduites à un point tel que,étant donné la faible température de ltair ambiant, le condensat peut geler si bien que les tubes de la première rangée au moins peuvent éclater. Pour résoudre ces problèmes on a donc cherché à réaliser un condenseur refroidi par air dans lequel des quantités égales de vapeur dteau sont condensées dans les tubes de toutes les rangées. Cependant, aucun de ces condenseurs ne résout vraiment-les problèmes de façon satisfaisante. Par exemple, le condenseur du brevet des Etats-Unis dtAzInrique n ' 587 720 est très coûteux car il est formé de tubes repliés à ailettes. De plus, les condenseurs du brevet des Etats-Unis dlAmérique n 3 223 152 assurent une condensation égale unique!nent dans des conditions données de température et dans tous les cas sont de réalisation coûteuse du fait de l'utilisation de tubes à ailettes réalises de manière particulière pour chaque rangée. De plus, le condenseur du brevet des Etats-Unis dtAmérique n 3 543 843 sacrifie la capacité de condensation par utilisation de tubes ayant des tronçons nus, c'est-à-dire sans ailette. Il est aussi connu de réaliser des condenseurs de manière que les tubes de toutes les rangées reçoivent uniquement la quantité de vapeur que les tubes de la première rangée peuvent condenser, l'excès de vapeur d'eau étant retiré des rangées successives vers un condenseur dtéchappe- ment monté en série avec le condenseur principal.Lors du fonctionnement en été, la quantité de vapeur d'aau qui doit zetre retirée du condenseur pour que toutes les rangées de tubes restent dépourvues d'air statique, peut être de l'ordre de 10 à 50 % de la quantité totale de vapeur dteau à condenser et, lorsque la température de l'air ambiant diminue en hiver, un pourcentage encore plus important doit autre retiré. Comme le condenseur d'échappement est de construction analogue à celle du condenseur principal et présente donc les mimes inconvénients que le condenseur principal, l'utilisation d'un tel condenseur d'échappement présente un avantage relativement faible au point de arue de ltefficacité du du condenseur dans son ensemble, notamment en ce qui concerne llutilisation de distributeurs et de collecteurs supplémentaires pour les condenseurs séparés. De plus, un pourcentage notable de 1a longueur des tubes peut évidemment subir une congélation. L'invention concerne un condenseur rcfroidi par air qui est plus efficace que les condenseurs précités. Un pourcentage très faible de la longueur des tubes peut subir une congélation, par rapport aux condenseurs connus. Le fonctionne- ment peut titre réglé et les tubes peuvent titre disposés de manière que, lorsque la température ambiante est faible, les possibilités de congélation soient réduites. De plus, a construction est relativement simple et peu coûteuse. Plus précisément, l'invention concerne un condenseur refroidi par air et comportant un dispositif d'introduction de la vapeur d'eau ou autres à condenser dans les tubes de l'une des rangées externes et de la rangée adjacente à une extrémité du faisceau, un dispositif reliant les tubes des rangées externes les uns aux autres et les tubes des rangées adjacentes aux rangées externes les uns aux autres à l'autre extrémité du faisceau, et un dispositif d'évacuation du condensat des tubes de l'autre rangée externe et de la rangée adjacente à celle-ci à la première extrémité du faisceau.En conséquence, le maintien de la quantité totale condensée de vapeur d'eau, dans une large plage de conditions de fonctionnement, est possible dans les tubes des rangées externes associées, en quantité plus proche de la quantité condensée dans les tubes des rangées adjacentes que dans les condenseurs dont les tubes de toutes les rangées sont montés en parallele, c'està-dire dans les condenseurs refroidis par air et connus actuellement. En conséquence, une quantité très réduite de vapeur d'eau doit etre dérivée pour l'élimination de l'air et des autres gaz non condensables dans les tubes du condenseur, si bien que la dimension du condenseur d'échawpement et le mauvais rendement de celui-ci peuvent wetre maintenus à des valeurs minimales. Plus précisément, le distributeur et le collecteur placés à une extrémité du faisceau associent respectivement les tubes dtune rangée externe et de la rangée adjacente à cette rangée, et les tubes de l'autre rangée externe et de la rangée adjacente à celle-ci. Les tubes de la rangée externe à laquelle est relié le distributeur sont les premiers ou les derniers qui sont au contact de l'air, suivant la direction d'écoulent de l'air. Le dispositif de connexion des tubes à l'autre extrémité du faisceau peut comprendre m colJ.cteur ou disti- buteur ayant une paroi qui le sépare en deux cllainbres dont l'une relie les tubes des rangées externes les uns au outres et l'autre les tubes des rangées adjacentes aux rangées externes les uns aux autres. Dans une varmAlte, cajue tube d'une rangée externe peut & re relié à un tube de l'autre rangée externe par un tube coudé, et chaque tube d'une rangée adjacente peut être relié à un tube de l'autre rangée adjacente par un autre tube coudé. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le courant diapir qui circule sur le faisceau est transmis par un ventilateur dont les pales sont telles que son pas peut & re inversé. Par exemple, au cours des opérations normales, le pas des pales peut & re réglé de manière que l'air remonte le long des tubes, si bien que les extrémités les plus froides adjacentes au collecteur sont les premières à être au contact de l'air. Ensuite, dans le cas où la température ambiante est très basse, le pas des pales peut être réglé de manière que le courant d'air change de sens, si bien que les extrémités les plus froides des tubes sont les dernières à astre au contact de l'air. Comme la température dans les tubes a une valeur minimale, la congélation est peu probable. De plus, les tubes du. faisceau scnt destinés à être placés en position sensiblement horizontale, les tubes des rangées qui sont reliés au distributeur, étant inclinés vers le bas depuis le distributeur, et les tubes des rangées qui sont reliés au collecteur étant inclinés vers le bas, vers le collecteur. De cette manière, tous les tubes sont inclinés vers le bas dans le sens d'écoulement et permettent l'écoulement libre donc la réduction des possibilités de congélation du condensat dans les tubes, lors du fonctionnement ou lors de l'arr8t du condenseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe verticale dtua ccndenseur refroidi par air réalisé selon l'invention, certaines parties étant arrachées pour simplifier la représentation - la figure 2 est une coupe agrandie dtune partie du condenseur de la figure 1, suivant la ligne 2-2 - la figure 3 est une coupe agrandie du condenseur de la figure 1 suivant la ligne 3-3 - la figure 4 est une coupe longiUudlnale arandie du condenseur de la figure 3, suivant la ligne 4-4 ; et - les figures 5 et 6 sont des coupes longitudinales agrandies, analogues à la figure 4, représentant des éléments de variantes du condenseur de l'invention. Sur la figure 1, le condenseur a air qui porte la référence générale 10 comprend deux faisceaux sensiblement horizontaux Il de tubes placés bout à bout dans un capot 12. Un ventilateur 13 monté dans un conduit cylindrique 14 est placé à l'extrémité supérieure du capot et provoque la circulation de l'air sur les tubes des faisceaux 11. Le ven- tilateur est entrainé par un mécanisme convenable 15 qui, comme noté précédemment, comprend un dispositif destiné à inverser le pas des pales du ventilateur 13 si bien que l'air peut circuler sur les faisceaux de tubes vers le haut ou vers le bas. Bien que le condenseur comprenne deux faisceaux de tutessnontés bout à bout, il est évident qu'il peut comprendre un seul faisceau ou au contraire trois ou quatre faisceaux montés bout à bout. De plus, les faisceaux peuvent etre disposés verticalement les uns au-dessus des autres et/ou ctte à cote. Comme représenté, chaque faisceau comprend des tubes 16 à ailettes et forme quatre rangées 17, 18, 19 et 20 pla- cées les unes au-dessus des autres en direction verticale, les-rangées 17 et 20 étant placées en haut et en bas respectivement des faisceaux et les rangées 18 et 19 étant adjacentes aux rangées 17 et 18. Comme indiqué sur la figure 2, de manière classique, chaque rangée comprend plusieurs tubes 16 placés cote à cSte d'un c8té à l'autre du faisceau La vapeur d'eau ou autre à condenser est introduite aux extrémités externes des tubes de la rangée supérieure 17 et de la rangée 18 adjacente à celle-ci par un distributeur 21, et le condensat est retiré aux extrémités externes des tubes des rangées 20 et 19 par un collecteur 22. La vapeur d'eau est introduite dans le distributeur 21 par un conduit 23 qui peut être relié à la sortie d'une turbine à vapeur, et le condensat du collecteur 22 passe dans un conduit 24 qui peut re joindre une chaudière ou un autre emplacement de mise en oeuvre. Des tubes évents 22A sont disposés dans chaque collecteur et sont destinés à être reliés à un condenseur dtéc}iappe ment non représenté dans lequel la vapeur d'eau non condensée peut être condensée. Comme représenté sur la figure 4, le distributeur 21 comprend une plaque 25 à tubes comportant des trous par lesquels passent les extrémités externes des tubes des rangées 17 et 18, une paroi 26 en U fixée sur son cSté externe audessus et au-dessous des extrémités des tubes et formant une chambre commune à tous les tubes, et des plaques 27 fermant les extrémités opposées de la chambre. Le collecteur 22 comprend de manière analogue une plaque 28 à tubes ayant des orifices par lesquels passent les extrémités externes des tubes des rangées 19 et 20, une paroi 29 en U fixée du cEté externe de la plaque 28 au-dessus et au-dessous des tubes et formant une chambre commune à tous les tubes, et des plaques 30 fermant les deux extrémités de la chambre. Dans les modes de réalisation des figures I à 4, les extrémités internes des tubes des rangées 17 et 20 et celles des tubes 18 et 19 de chaque faisceau sont reliées les unes aux autres par un collecteur 31. Comme représenté sur la figure 4, chaque collecteur 31 comprend une plaque 32 à tubes ayant des trous destinés au logement des extrémités internes des tubes de toutes les rangées, une paroi externe semi-circulaire 33 et une paroi interne semi-circulaire 34 disposée concentriquement dans la paroi externe. Comme représenté, les, bords supérieur et inférieur de la paroi 33 sont fixés à la plaque 32 au-dessus et au-dessous des extrémités des tubes des rangées supérieure et inférieure et les bords supérieur et inférieur de la paroi 34 sont fixés à la plaque 32 etre les extrémités des tubes des rangées 17 et 18 et 19 et 20.Plus précisément, la plaque 32 et les parois 33 et 34 sont disposées entre les plaques 35 qui forment des parois d'extrémité du collecteur, si bien qu'zlls forment des chambres séparées qui relient les tubes des rangées 3u- périeure et inférieure les uns aux autres et les tuber des rangées adjacentes les uns aux autres. Comme représenté clairement sur la figure 4, les extrémités externes des tubes des rangées 17 et 18 sont disposées au-dessus des extrérnités internes, et les extrémités externes des tubes des rangées 19 et 20 sont disposées audessous des extrémités internes. En conséquence, le condensat qui passe dans le faisceau descend du distributeur 21 au collecteur 22. Comme représenté clairement sur la figure 4, chaque faisceau Il est porté dans le capot 12 par des fers en U 36 disposés des deux côtés. Plus précisément, les plaques 27 et 30 des deux côtés du distributeur 21 et du collecteur 22 et les plaques 35 des deux cotés du collecteur 31 sont boulonnées sur les cotés internes des fers en U près des extrémités externes. De plus, les tubes peuvent être supportés entre les extrémités par des organes transversaux 36A disposés latéralement entre les fers en U. Comme cité précédemment, le second mode de réalisation de l'invention diffère de celui des figures 1 à 4 par la connexion des tubes internes de chaque faisceau les uns aux autres. Ainsi, comme représenté sur la figure 5, les tubes sont reliés les uns aux autres par un collecteur unique 37 qui, comme dans le mode de réalisation des figures I à 4, comprend des plaques 38 à tubes ayant des trous par lesquels passent les tubes de chaque faisceau. L'espace compris entre les plaques est fermé par des- parois 39 et 40 supérieure et inférieure qui,avec les plaques 38, sont disposées entre des plaques latérales 41 placées aux deux extrémités des faisceaux et délimitant une chambre commune aux extrémités des tubes des deux faisceaux. Cette chambre est divisée en deux chambres élémentaires par deux parois 43 de forme semi-circulaire, l'une des parois étant associée à la plaque 38 d'un faisceau et l'autre avec la paroi 38 de l'autre faisceau. Plus précisément, chaque paroi 43 est disposée latéralement entre les plaques 41 et elle est associée à la plaque 38 au-dessus et au-desous des extrémités des tubes des rangées 18 et 19 de chaque faisceau. Ainsi, les parois 43 délimitent des chambres reliant les extrémités internes des tubes des rangées 18 et 19 de chaque faisceau, et une chambre externe reliant les tubes des rangées 17 et 20 des deux faisceaux.Comme représenté sur la Ligure 5, les plaques 44 sont boulonnées sur les fers 36 qui supportent les extrémités internes des faisceaux dans le capot. Comme cité précédemment, le troisième mode de réalisation de ltinvention diffère du premier mode de réalisation par la connexion des extrémités des tubes les unes aux autres. Comme représenté sur la figure 6, et comme dans les deux premiers modes de réalisation, les extrémités internes des tubes de chaque faisceau passent par des tous de plaques 44 qui sont portées à leurs extrémités par des fers en U 36. Les extrémités des paires de tubes qui passent dans les plaques 44 sont reliées par des tubes coudées 45 et 46, les tubes 45 ayant un rayon relativement important et reliant les tu be & des rangées 17 et 20 et les tubes 46 ayant un rayon réduit et reliant les tubes des rangées 18 et 19.Les tubes coudés peuvent comprendre des coudes solidaires des tubes longitudinaux qu'ils relient comme représenté ou peuvent comprendre des tubes séparés soudés ou fixés dtune autre manière aux extrémités des tubes qu'ils relient. Bien que chaque faisceau de tubes,dans tous les modes de réalisation, soit représenté avec quatre rangées successives de tubes, il faut noter que chaque faisceau peut comprendre des paires supplémentaires de rangées placées entre les rangées 18 et 19. Dans ce cas, les extrémités externes des tubes des rangées supplémentaires, à proximité de la rangée supérieure, sont reliées au distributeur de vapeur, et les extrémités externes des tubes des rangées supplémentaires proches de la rangée inférieure sont reliées au collecteur de condensat alors que les extrémités internes des tubes des rangées supplémentaires proches de la partie supérieure sont reliées aux extrémités internes des tubes d'une rangée correspondante proche de la partie inférieure. Par exemple, dans le cas d'un condenseur à six rangées, les extrémités externes des tubes de la troisième rangée à partir du haut sont reliées au distributeur, les extrémités externes des tu beys de la quatrième rangée à partir du haut (ou la troisième à partir du bas) sont reliées au collecteur de condensat, et les extrémités internes des tubes de la troisième et de la quatrième rangées à partir du haut sont reliées les unes aux autres. Lors du fonctionnement normal, le pas des pales du ventilateur 13 est réglé de manière que l'air soit aspiré vers le haut le long des faisceaux et dans ce cas les tubes de la rangée 20 sont les premiers et les tubes de la rangée 17 les derniers à être au contact de l'air. Cependant, lorsque le temps est très froid, il peut être souhaitable que le pas des pales du ventilateur soit inversé dé manière que l'air froid descende sur les faisceaux. Comme décrit précédemment, l'air le plus tiède passe sur les rangées inférieures et réduit donc les possibilités de congélation. La description qui précède montre que l'invention présente les avantages cités ainsi que d'autres qui sont évidents. De plus, il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée, qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVEDDICATzONS 1. Condenseur refroidi par air, destiné a la condensation de vapeur d'eau ou d'une autre vapeur d'une substance unique en pratique,à une pression proche de la pression atmosphérique ou inférieure à celle-ci, ledit condenseur étant caractérisé en ce qutil comprend un faisceau de tubes ayant des rangées successives placées dans la direction d'un courant d'air, de manière que les tubes des rangées externes soient les premiers et derniers à être au contact de l'air et que les tubes des rangées adjacentes aux rangées externes soient les seconds et les avanterniers à être au contact de l'air, un dispositif d'introduction de la vapeur à condenser dans les tubes ce lune des rangées externes et dans la rangée adjacente à une extrémité du faisceau, un dispositif de connexion des tubes des rangées externes les uns aux autres et des tubes des rangées adjacentes aux rangées externes les uns aux autres à l'autre extrémité du faisceau, et un dispositif de retrait du condensatet de la vapeur non condensée des tubes de l'autre rangée externe et de la rangée adjacente à celle-ci à la première extrémité du faisceau. 2. Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de connexion comprend des tubes coudés reliant chaque tube de la rangée externe à un tube de l'autre rangée externe et chaque tube de la première rangée adjacente à un tube de l'autre rangée adjacente. 3. Condenseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de connexion comprend un collecteur ayant une paroi qui le sépare en chambres dont l'une relie les tubes des rangées externes les uns aux autres et l'autre relie les tubes des rangées adjacentes les uns aux autres. 4. Condenseur selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le faisceau est destiné à être placé de façon sensiblement horizontale, les tubes de la première rangée externe. et de la rangée adjacente sont inclinés vers le bas depuis la première extrémité du faisceau jusqutà la seconde, et les tubes de l'autre rang externe et de la rangée adjacente sont inclinés vers le bas de l'autre extrémité du faisceau vers la première extrémité. 5. - Condenseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif destiné à inverser le sens du courant d'air passant sur les rangées de tubes. 6. Condenseur selon I1une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif dXintroduc- tion de vapeur comprend un distributeur destiné à recevoir la vapeur à une extrémité du faisceau et reliant les tubes de l'une des rangées externes et de la rangée adjacente, et le dispositif de retrait de condensat et de vapeur non condensée comprend un collecteur placé à la première extrémité du faisceau et reliant les tubes de l'autre rangée externe et de la rangée adjacente à celle-ci.