Brevet FR2230950A1 — publié le 19741220

La présente invention est relative au refroidissement de l'eau par évaporation, et se rapporte plus particulièrement à une installation de refroidissement destinée à éviter la formation de brouillards à la sortie de tours de refroidissement d'installations industrielles ou analogues. Dans une tour de refroidissement classique, l'eau et l'air circulent à contre-courant, l'évaporation de l'eau dans l'air provoquant l'essentiel de l'échange thermique nécessaire au refroidissement de l'eau. L'air sort de la tour pratiquement saturé en vapeur d'eau de sorte que, Si la température de rosée est très supérieure à la température sèche de l'air extérieur, ce qui a lieu en particulier en hiver, il se produit une condensation qui peut, dans certains cas, être très néfaste à l'environnement immédiat de la tour, par exemple si la tour est en contre-bas d'autres immeubles, ou surtout si elle se trouve au voisinage d'une route sur laquelle le brouillard formé peut provoquer une zone de verglas. Ce "panache" caractéristique des tours de refroidissement constitue donc une nuisance propre au fonctionnement de ces appareils. Les industriels sont donc contraints, dans bien des cas, à cause de l'importance de ces nuisances, d'opter pour un autre type de refroidisseur d'eau, l'aéroréfrigérant, qui est un échangeur eau-air avec paroi. La température limite de refroidissement de l'eau est donc la température sèche de l'air, au lieu de la température humide dans le cas d'une tour. Ceci est un net désavantage, en particulier pour le fonctionnement d'été, et nécessite de surdimensionner les échangeurs (condenseur de groupe frigorifique, par exemple) alimentés par l'eau de l'aéroréfrigérant. En revanche, les aéroréfrigérants offrent l'avantage de ne consommer aucun débit d'eau, contrairement aux tours de refroidissement, pourtant déjà appelées "économiseurs d'eau". Cette appellation est justifiée par rapport aux échangeurs à eau perdue, mais, en fait, les tours consomment tout de même, en évaporation et en purge, 3 à 4 % du débit nominal d'eau, ce qui, pour les tours importantes, peut poser des problèmes dans les zones ot l'eau est chère. On constate donc que le choix peut être délicat entre une tour de refroidissement et un aéroréfrigérant. L'invention vise à remédier aux inconvénients que présentent les tours de refroidissement et les aéroréfrigérants, et à créer une installation faisant appel à la combinaison des techniques utilisées dans les deux types d'installations précités, de manière à permettre, à puissance échangée égale, d'éliminer les inconvénients de chacun des appareils, sans en perdre les avantages. Elle a donc pour objet un procédé de refroidissement par évaporation de l'eau utilisée dans des installations industrielles ou analogues, consistant à projeter l'eau à refroidir dans une tour dans laquelle circule de l'air atmosphérique, l'évaporation de l'eau dans l'air provoquant l'échange thermique nécessaire au refroidissement de l'eau, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à provoquer la modification de la tension de vapeur de l'air réchauffé au contact de l'eau à refroidir au moyen d'au moins une batterie d'échange thermique parcourue par au moins une partie de l'eau à refroidir, afin d'éviter la condensation de la vapeur contenue dans l'air sortant de la tour. L'invention a également pour objet une installation de refroidissement de l'eau destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, comportant une tour pour la circulation de l'air atmosphérique, ladite tour comportant, à sa partie supérieure, des moyens de projection de l'eau à refroidir et, à sa partie inférieure, un bassin de récupération de l'eau refroidie au contact de l'air circulant dans la tour, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une batterie d'échange thermique branchée en dérivation sur lesdits moyens de projection de l'eau dans la tour et destinée à modifier la tension de vapeur de l'air à la sortie de celleci, compte tenu de la température de l'air extérieur, afin d'éviter la condensation de la vapeur contenue dans l'air sortant de la tour. Un tel agencement permet, en particulier, d'éviter en hiver la formation d'un panache de condensation au sommet de la tour et de réduire la consommation d'eau, tout en conservant,en régime d'été, la température limite de refroidissement égale à la température humide de l'air. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 représente le diagramme de l'air humide d'une tour de refroidissement classique la Fig. 2 est une vue schématique d'un premier type d'installation de refroidissement suivant l'invention ; la Fig. 3 montre le diagramme de l'air humide de l'installation de la Fig. 2 la Fig. 4 est une vue schématique d'une variante de l'installation de la Fig. 2 la Fig. 5 montre le diagramme de l'air humide de l'installation de la Fig. 4 la Fig. 6 est une vue schématique d'une autre variante d'ins tallation de refroidissement suivant L'invention la Fig. 7 montre le diagramme de l'air humide de l'installation de la Fig. 6 la Fig. 8 est une vue schématique d'un autre type d'instal lation de refroidissement suivant 1' invention la Fig. 9 montre le diagramme de l'air humide de l'installation de la Fig. 8 la Fig. 10 est une vue de côté d'une installation du type représenté schématiquement à la Fig. 8 ; et la Fig. 11 est une coupe suivant la ligne 11-11 de la Fig. 10. En se référant tout d'abord à la Fig. 1, qui montre le diagramme de l'air humide d'une tour de refroidissement classique, soient tl et t2 les températures a'entrée et de sortie de. l'eau à refroidir qui circule dans cette tour, avec un débit prédéterminé ; soient A et B les points représentatifs des tensions de vapeur de l'air à l'entrée et à la sortie de la tour, HA et HB étant les enthalpies correspondantes en kJ par kg d'air sec.En supposant que 0a est le débit d'air sec, la puissance thermique échangée est donnée par la relation = 0a (Hg - HA) Ainsi qu'on peut le voir à la Fig. 1, le point B est très proche de la courbe de saturation S, de sorte que l'évolution de l'air au-delà de la tour franchit nécessairement cette courbe, ce qui entraine la formation de brouillard. Afin d'eviter la production de ce phénomène, tout en échangeant la même puissance avec le même débit d'air, et en partant du même point A, il suffit d'aboutir à un point B' situé sur le même isentnalpe que B, mais plus éloigné que celui-ci de la courbe de saturation S. Ce point B' doit être suffisamment loin de la courbe de saturation pour que le refroidissement à la sortie puisse se faire sans franchir cette courbe. La position du point B' dépend de l'écart t R (B') - t A entre la température de rosée du point B' et la température sèche tA de l'air extérieur, ainsi que de la vitesse de l'air. L'installation représentée schématiquement à la Fig. 2 permet dè resoudre le problème précité. Cette installation comprend essentiellement une tour l, la partie inférieure de laquelle est prévu un bassin 2 destiné à recueillir l'eau après son refroidissement. L'air pénètre dans la tour 1 par sa face latérale 3 et en ressort par sa face supérieure 4, comme indiqué par la flèche F. A sa partie supérieure, la tour 1 présente une rampe 5 destinée à projeter de l'eau à l'intérieur de la tour, cette rampe étant alimentée par une canalisation 6. Devant la face latérale 3 de la tour, est disposée une batterie d'échange thermique 7, alimentée à partir de la canalisation 6 par l'intermédiaire d'une vanne 8 à trois voies branchée entre la canalisation 6 et la rampe 5. La batterie 7, formée par exemple d'un ensemble de tubes pour la circulation de l'eau munis d'ailettes, communique, à sa partie inférieure, avec le bassin 2. Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite va être examiné en référence à la Fig 3, qui représente un diagramme analogue à celui de la Fig. 1, mais sur lequel on peut voir l'effet de la batterie 7 d'échange thermique sur le fonctionnement de l'installation. Lorsque la température extérieure de l'air diffère peu de la température de l'air sortant de la tour, l'installation représentée à la Fig. 2 fonctionne de façon classique, sans intervention de la batterie 7. En revanche, par temps froid, la batterie 7 est mise en service. Cette mise en service se traduit par la dérivation\ d'une partie de l'eau délivrée par la canalisation 6 vers la batterie 7, par l'intermédiaire de la vanne à trois voies 8. Le débit d'eau est ainsi divisé en deux parties qui circulent en parallèle dans la tour 1 et dans la batterie 7, le rapport des débits étant réglé par la vanne 8 commandée par un dispositif de consigne (non représenté) dont l'action sur la vanne est liée à l'écart t R (B') - tA défini plus haut. A L'eau refroidie provenant de la rampe 5 et de la batterie 7 est recueillie dans le bassin 2 d'où elle est ensuite recyclée. En se reportant à la Fig. 3, on constate, en comparant la courbe C,qui traduit l'évolution de la tension de vapeur de l'air en fonction de la température lors du fonctionnement de la tour seule,à la courbe C' qui résulte du fonctionnement de la tour avec la batterie d'échange thermique en service, que le point B' se trouve écarté de la courbe de saturation S, de sorte qu'à la sortie 4 de la tour, la condensation ne peut plus se produire. L'air qui traverse la batterie 7 s'échauffe d'abord fortement au contact des surfaces d'échange thermique de celle-ci, sans augmentation de tension de vapeur, ce phénomène étant représenté par le tronçon horizontal AA' de la courbe C'. Puis, l'air s'échauffe à nouveau au contact de l'eau de ruissellement provenant de la rampe 5, mais sa tension de vapeur, au lieu d'atteindre le point B sur l'isenthalpe HB qu'elle atteindrait en l'absence de la batterie d'échange thermique 7, atteint le point B' plus éloigné que B de la courbe de saturation. L'installation représentée schématiquement à la Fig. 4 est analogue à celle de la Fig. 2, à l'exception du fait que la batterie d'échange thermique- 7a, au lieu d'être placée au niveau de l'aspiration de la tour, est maintenant disposée au niveau du refoulement de celle-ci. Le fonctionnement de l'installation de la Fig. 4 est illustré par le diagramme de l'air humide de la Fig. 5, sur lequel on peut voir que l'air, pénétrant par la face 3 d'aspiration de la tour, se réchauffe d'abord au contact de l'eau de ruissellement délivrée par la rampe 5, comme si la batterie d'échange thermique 7a n'existait pas. Sa tension de vapeur augmente donc du point A jusqu'au point A'. Au passage dans la batterie 7a, l'air s'échauffe brusquement au contact des parois d'échange thermique de celle-ci et, sans que sa tension de vapeur soit modifiée, atteint le point B' sur l'isenthalpe HB, au lieu du point B qu'il aurait atteint en l'absence de la batterie 7a. Sur le schéma de la Fig. 4, on a représenté la vanne à trois voies 8 en amont de la rampe de distribution 5 ot de la batterie d'échange thermique 7a, mais il va de soi que cette vanne de distribution pourrait être disposée en aval de la batterie, de sorte que toute l'eau à refroidir circulerait d'abord par celle-ci. Bien que donnant de très bons résultats, les installations décrites précédemment présentent un inconvénient, du fait que les deux échangeurs,constitués, d'une part, par la tour de refroidissement proprement dite et, d'autre part, par la batterie d'échange thermique, sont placés en série par rapport à l'air de refroidissement, de sorte que le deuxième échangeur fonctionne toujours dans des conditions relativement peu favorables. L'installation représentée schématiquement à la Fig. 6 permet de remédier à cet inconvénient. Cette installation comporte, comme précédemment, une tour 1, à la partie inférieure de laquelle est disposé un bassin 2 de récupération de l'eau après son refroidissement, l'eau à refroidir étant amenée par une canalisation 6. L'eau amenée par la canalisation 6 est distribuée, au moyen d'une vanne à trois voies 8, à une rampe d'arrosage 5 et à deux batteries d'échange thermique 7b, 7c disposées au-delà de la sortie de la tour et au-dessus de celle-ci. Un auvent 9, destiné à guider l'aspiration de l'air extérieur, est disposé au-dessus des batteries d'échange thermique 7b et 7c. Le fonctionnement de l'installation représentée à la Fig. 6 est illustré par le diagramme de l'air humide de la Fig. 7. Dans cette installation, l'air à la température extérieure, qui est représenté par le point A du diagramme delta Fig. 7, est aspiré, d'une part, à l'entrée de la tour 1 et, d'autre part, entre la sortie de celle-ci et l'auvent 9. L'air aspiré par la tour 1 s'échauffe au contact de l'eau de ruissellement délivrée par la rampe 5 pour atteindre un point A' voisin de la courbe de saturation S, ainsi que le montre la courbe AA'. En revanche, l'air aspiré par l'auvent 9 se réchauffe brusquement au contact des batteries 7b et 7c, sans augmentation de tension de vapeur, pour atteindre le point A". I1 se mélange alors à l'air plus humide issu de la tour 1, de sorte que le point B', atteint par ce mélange à la sortie de l'auvent 9, est suffisamment éloigné de la courbe de saturation S pour qu'aucune condensation ne se produise. On constate que, dans une telle installation, les deux échangeurs fonctionnent avec de l'air provenant de l'extérieur, ce qui améliore le rendement de l'installation. L'augmentation d'enthalpies HB, - HA semble avoir diminuée, mais, en fait, elle s'applique à un débit d'air plus élevé grâce à l'air induit aspiré au niveau de l'auvent 9. L'installation représentée schématiquement à la Fig. 8 combine également les techniques de refroidissement par batteries d'échange thermique et par contact direct de l'air avec l'eau à refroidir, mais sous une forme différente de celle utilisée dans les installations représentées aux Fig. 2, 4 et 6. L'installation représentée sur cette figure comporte une tour 1 avec un bassin 2 de récupération de l'eau refroidie, disposé à la partie inférieure de la tour, ainsi qu'une rampe 5 de pulvérisation de l'eau disposée à la partie supérieure de cette tour. Toutefois, à la différence des installations décrites précédemment, l'enceinte délimitée par les parois de la tour 1 est séparée en zones verticales 10 et 11 alternées, à fonctionnement respectif en régime d'air sec, c'est-à-dire au moyen d'un transfert de chaleur sensible et en régime humide, c'est- -dire au moyen d'un transfert de chaleur par évaporation. Aux Fig. 10 et 11, est représenté un mode de réalisation préféré d'une installation telle que celle représentée schématiquement à la Fig. 8. Cette installation comporte une tour 12, dont la partie supérieure 13 est occupée par une série de compartiments 15 et 16 séparés par des cloisons ondulées 17 réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur. A la partie supérieure de chaque compartiment 15,16, est disposée une rampe 18 d'arrosage reliée à une canalisation 19 d'amenée de l'eau à refroidir, par l'intermédiaire d'une vanne 20 à commande électromagnétique. Les compartiments 15 et 16 de la tour communiquent, à leur partie inférieure, avec la sortie de deux ventilateurs d'aspiration de l'air extérieur (non représentés) placés dans des gaines 21. La base de la tour forme bassin de récupération de l'eau de ruissellement dont le recyclage vers l'installation à refroidir est assuré par une conduite 23. Le fonctionnement de l'installation est illustré par le diagramme de la Fig. 9. Dans des conditions atmosphériques normales, c'est-à-dire lorsqu'il n'y a aucun risque de condensation de la vapeur contenue dans l'air de sortie de la tour, 11 installation fonctionne en air humide. Les vannes 20 sont toutes ouvertes, de sorte que l'air circulant dans les compartiments 15 et 16 se trouve au contact de l'eau de ruissellement. A la sortie de la tour, l'air présente une tension de vapeur A' proche de la saturation, mais la condensation ne se fait pas car la température de l'air extérieur est relativement élevée. Par temps froid, afin d'éviter le phénomène de condensation qui ne manquerait pas de se produire si l'installation continuait à fonctionner exclusivement en air humide, les vannes 20, destinées à alimenter les rampes 19 se trouvant au-dessus des compartiments 15, sont fermées. L'air circulant dans les compartiments 16, dont les rampes 19 délivrent toujours de l'eau, évolue de la manière représentée par la courbe AA' de la Fig. 9. En revanche, l'air circulant dans les compartiments 15 qui ne sont plus arrosés reste sec et ne s'échauffe qu'au contact des parois 17 de séparation qui lui communiquent une partie de la chaleur produite par le ruissellement de l'eau dans les compartiments voisins. Cet échauffement se traduit par le tronçon horizontal AA" du diagramme de la Fig. 9. A la sortie de l'installation, on se trouve donc en présence de courants d'air sec issus des compartiments 15, alternés avec des courants d'air humide issus des compartiments 16. Le mélange de ces courants permet, comme le montre la Fig. 9, d'obtenir de l'air présentant une tension de vapeur B' suffisamment éloignée de la courbe de saturation S pour qu'aucune condensation ne puisse se produire. L'installation qui vient d'être décrite présente une très grande souplesse d'emploi car il est possible, en modifiant le rapport du nombre des compartiments fonctionnant en air humide à celui des compartiments fonctionnant en air sec, d'adapter l'installation aux conditions atmosphériques extérieures. Une telle adaptation s'opère par simple ouverture ou fermeture d'un certain nombre de vannes 20. Elle est avantageusement réalisée par une centrale de régulation (non représentée). REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement par évaporation de l'eau utilisée dans des installations industrielles ou analogues, consistant à projeter l'eau à refroidir dans une tour dans laquelle circule de l'air atmosphérique, l'évaporation de l'eau dans l'air provoquant l'échange thermique nécessaire au refroidissement de l'eau, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à provoquer la modification de la tension de vapeur de l'air réchauffé au contact de l'eau à refroidir au moyen d'au moins une batterie d'échange thermique parcourue par au moins une partie de l'eau à refroidir, afin d'éviter la condensation de la vapeur contenue dans l'air sortant de la tour. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la modification de tension de vapeur est assurée en plaçant ladite batterie d'échange thermique dans le courant d'air circulant dans la tour. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la modification de tension de vapeur est assurée en mélangeant à l'air saturé sortant de la tour de l'air atmosphérique chauffé au contact de ladite batterie d'échange thermique. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la modification de tension de vapeur est assurée en divisant la tour de refroidissement en une série de compartiments verticaux, en provoquant la projection de l'eau dans certains desdits compartiments séparés par des compartiments non alimentés en eau et en faisant circuler de l'air atmosphérique dans tous les compartiments, l'air circulant dans les compartiments alimentés en eau étant saturé à la sortie de ceux-ci et l'air circulant dans les compartiments non alimentés en eau n'étant pas saturé, les compartiments alimentés en eau jouant le rôle de batteries d'échange thermique pour l'air circulant dans les compartiments non alimentés. 5. Installation de refroidissement de l'eau,destinée à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une tour pour la circulation de l'air atmosphérique, ladite tour comportant, à sa partie supérieure, des moyens de projection de l'eau à refroidir et, à sa partie inférieure, un bassin de récupération de l'eau refroidie au contact de l'air circulant dans la tour, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une batterie d'échange thermique branchée en dérivation sur lesdits moyens de projection de l'eau dans la tour et destinée à modifier la tension de vapeur de l'air à la sortie de celle-ci, compte tenu de la température de l'air extérieur, afin d'éviter la condensation de la vapeur contenue dans l'air sortant de la tour. 6. fnstalatioh suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ladite batterie (7) d'échange thermique est placée sur le trajet de l'air de refroidissement de la tour (1) au niveau de l'aspiration de la tour. 7. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ladite batterie (7a) est placée sur le trajet de l'air de refroidissement de la tour (1) au niveau de la sortie de la tour. 8. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des batteries d'échange thermique (7b, 7c) disposées autour de la sortie de la tour et au-dessus de celle-ci et surmontées par un auvent (9) séparé de la tour (1) par un intervalle d'aspiration de l'air atmosphérique. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la ou lesdites batteries d'échange thermique (7, 7a, 7b, 7c) sont branchées en dérivation sur lesdits moyens (5) de projection de l'eau dans la tour par l'intermédiaire d'au moins une vanne (8) à trois voies. 10. Installation suivant les revendications 7 et 9 considérées dans leur ensemble, caractérisée en ce que ladite vanne (8) à trois voies est placée en amont ou en aval de ladite batterie (7a) d'échange thermique. 11. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ladite tour comporte une série de compartiments verticaux (15, 16) séparés par des cloisons (17) conductrices de la chaleur, chaque compartiment étant pourvu, à sa partie supérieure, d'une rampe (18) de projection de l'eau à refroidir reliée à une conduite (19) générale d'amenée d'eau à refroidir, par l'intermédiaire d'une vanne (20), les compartiments (16) alimentés en eau lors de l'ouverture des vannes (20) associées jouant le rôle de batteries d'échange thermique pour l'air circulant dans les compartiments (15) non alimentés.