Brevet FR2263480A1 — publié le 19751003

Dans les tours de refroidissement de type classique oU l'eau est refroidie par évaporation d'une fraction de l'eau dans l'air, ce dernier se déplace généralement de bas en haut à travers la tour de refroidissement, tandis que l'eau, sous forme de gouttelettes ou de minces voiles formés sur un garnissage intérieur de la tour, s'écoule vers le bas, soit en contre-courant par rapport à flair. La vitesse de déplacement de l'air dans la tour est généralement limitée à une valeur située entre 2 et 3 m/s. Â des vitesses supérieures, le courant d'air extrait des gouttelettes d'eau des films d'eau formés sur le garnissage intérieur de la tour.Ces gouttelettes sont alors perdues dans 1' air sortant. tes gouttes d'eau pulvérisées dans la tour à l'aide de buses, et celles qui se forment dans le garnissage intérieur de la tour, ne doivent être ni trop grosses, ni trop petites. Le diamètre de ces gouttes d'eau devrait être supérieur à environ 2 mm afin que les gouttes tombent en contre-courant par rapport au déplacement de l'air ascendant. Toutefois, des gouttes de cette dimension n'ont pas suffisamment de temps pour se refroidir efficacement pendant leur passage dans la tour de refroidissement. Si l'on tient compte uniquement de cette dernière condition, il faudrait que le diamètre des goùttes d'eau soit inférieur à 0,5 mm. Plais, dans ce cas, elles seraient trop petites et seraient "soufflées" vers l'extérieur avec l'air sortant.Ces deux exigeances incompatibles ainsi que le fait que la dimension des gouttes d'eau varie dans une gamme importante de diamètres allant de 0,01 à 5 mm, ont rendu inaceptable l'adoption exclusive du refroidissement de l'eau sous forme de gouttelettes. La pratique courante a donc consisté à remplir la tour d'une multitude de barrettes en bois, d'éléments en tale ondulée, ou de plaques en matière plastique, etc.; liteau s'écoule par conséquent sur ce remplissage en formant de minces pellicules qui constituent la surface nécessaire de contact entre l'air et l'eau. S'il était possible de mettre en oeuvre le processus de refroidissenent d'eau à l'aide de gouttelettes d'eau qui se déplacent en contre-courant par rapport à l'air, on obtiendrait une solution très avantageuse de ce problème. La présente invention rend cette solution possible et présente de nombreux avantages en comparaison des tours classiques de refroidissement. L'idée de base de l'invention consiste à imprimer un mouvement de rotation à l'air qui se trouve dans la tour de refroidissement, et à pulvériser l'eau sous forme de fines gouttelettes que l'on injecte dans l'air ainsi mis en rotation. Ces gouttelettes sont alors entraînées par l'air en rotation et, sous llU2- fluence de la force centrifuge et éventuellement aussi d'une vitesse initiale résiduelle, les gouttelettes s'écartent vers l'extérieur en contre-courant par rapport à l'air. L'utilisation de la force centrifuge est, sous de nombreux aspects, un principe caractéristique dans ce contexte.Elle offre la possibilité de réaliser la circulation en contre-courant même entre de très fines gouttelettes d'eau et le courant d'air, ce qui assure un excellent transfert thermique. Elle offre aussi la possibilité d'améliorer sensiblement l'élimination des gouttelettes d'eau dans l'air sortant. La tour de refroidissement est conçue sous forme d'un cylindre et l'on introduit l'air à travers des ouvertures pratiquées dans le chemisage de ce cylindre. Ces ouvertures sont en forme de, ou comportent, des aubages qui dirigent l'air tangentiellement. Au lieu d'utiliser un cylindre proprement dit, on peut adopter un cone ou une autre-enceinte ou chambre à symétrie rotative ou à pseudo-symétrie rotative, par exemple ayant une section transversale de forme polygonale ou similaire. L'air présent dans la tour est mis en rotation et ce sont en particulier les gouttelettes d'eau qui sont entraînées par l'air tournant et exposées à une force centrifuge laquelle, conjointement à leur vitesse initiale, contraint ces gouttelettes à se déplacer vers l'extérieur à contre-courant par rapport à l'air in troauit dans la tour. Si l'on considère l'avantage qui découle de la réalisation d'un contre-courant effectif entre l'eau et l'air, il est essentiel que l'air, pendant son écoulement dans le cylindre, se répartisse parmi plusieurs ouvertures ménagées dans le chemisage du cylindre. La force centrifuge qui, de la façon sus-indiquée, agit de façon à solliciter les gouttes d'eau vers l'extérieur, peut sans inconvénient être plusieurs fois supérieure aux forces dirigées vers I'intrieur et qui émanent du courant d'air créé dans l'appareil. Il est possible de concevoir la construction de telle sorte que toutes les gouttes d'eau dont le diamètre est inférieur à 19um soient sollicitées vers l'extérieur contre la paroi du cylindre où elles sont précipitées. On peut ajouter que, dans ce cas, le pourcentage de gouttes d'eau ayant moins de 19um de diamètre est généralement inférieur à 0,1%. On obtient de même un contre-courant efficace avec des gouttelettes de faible diamètre. En outre, l'adoption d'un faible diamètre pour ces gouttes d'eau se traduit par des coefficients élevés d'échange thermique. En même temps, la pulvérisation de l'eau détermine une surface de contact importante, donc un facteur d'économie, entre l'air et l'eau. Cela contribue à la réalisation finale d'un appareil échangeur de chaleur à haut rendement. L'air quitte la tour de refroidissement par des ouvertures prévues soit à une seule extrémité, soit aux deux extrémités du cylindre. La tour de refroidissement selon l'invention ne doit pas nécessairement être conçue comte une véritable tour, car si l'on utilise la force centrifuge on n'est plus dépendant uniquement de la force de gravité et l'axe du cylindre de la tour de refroidissement peut éventuellement être disposé horizontalement. Cela permet de prévoir des sorties d'air aux deux extrémftés, ce qui diminue la section de passage de ces sorties et le prix de revient de la tour. La tour de refroidissement peut etre conçue de telle sorte qu'aucune admission d'air-ou d'eau ne s'effectue dans sa partie supérieure, afin que celle-ci ne serve que de moyen d'élimination de l'eau. La partie supérieure peut avoir le même diamètre que la partie inférieure, mais pour réaliser un contre-courant plus efficace dans l'ensemble ou dans une partie de cette partie supérieure, celle-ci peut avoir un diamètre réduit. Si la sortie a un rayon plus petit que celui de la partie e la tour où le processus de refroidissement proprement dit se déroule, on peut avantageusement disposer les buses de pulvérisation d'eau sur le mêae rayon. Si la sortie d'air a un diamètre inférieur à celui du cylindre, la sépa ration de l'eau s'en trouve améliorée. La rotation de l'air assurée meme à la sortie offre des possibilités complémentaires d'améliorer l'élimination d'eau. On peut prévoir une poche dans la paroi cylindrique de sortie, autour de sa circonférence, en vue d'évacuer- 11 eau qui s'est précipitée. On peut aussi placer dans la sortie un ou plusieurs cylindres concentriques sans fond mais éventuellement pourvus d'une poche du genre précité. On peut aussi concentrer l'écoulement de l'eau en plusieurs points, afin d'obtenir des gouttes plus volumineuses qui se précipiteront aisément. L'air mis en rotation dans la sortie possède une énergie cinétique propre dont une partie peut être récupérée à l'aide d'aubages agencés dans la sortie, ce qui diminue la rotation. Un autre moyen de récupérer de l'énergie consiste à faire tourner-un ventilateur dans le sens contraire de celui de l'air et à donner aux pales de ce ventilateur un calage angulaire tel que ladite rotation se trouve stoppée. Le dessin annexé montre schématiquement un exemple type de réalisation dune tour de refroidissement selon la présente invention. Sur le dessin La figure 1 est une vue en coupe axiale verticale faite suivant les flèches de la figure 2, et la figure 2 est une vue en coupe transversale faite à travers le corps cylindrique de la tour. L'enceinte cylindrique 1 constitue la tour proprement dite. Dans ce cas, il n'existe pas de chemisage proprement dit du cylindre mais l'enceinte cylindrique est délimitée vers l'extérieur par des aubages 2. Entre les aubes on ménage des ouvertures ou intervalles 3 à travers lesquels l'air pénètre dans la tour. Les aubes peuvent être soit fixes, soit mobiles en pivotement ou rotation autour d'axes verticaux 4, afin de permettre un réglage des ouvertures 3. tes aubes dirigent l'écoulement d'air tangentiellement. On peut également prévoir un chemisage cylindrique comportant des ouvertures formées comme les aubes précitées, ou munies de celles-ci, en vue de diriger l'air tangentiellenent. L'air est aspiré à travers la tour par un ventilateur 5.Cependant, on peut aussi refouler l'air à travers cette tour, c'est-à-dire placer le ventilateur à l'entrée de l'air. Dans les deux cas on peut utiliser un ventilateur one soufflante centrifuge. L'eau à refroidir est introduite par la pompe 6 à travers des buses 7 dont le rôle consiste à pulvériser cette eau. tes buses 7 peuvent avoir la forme d'ajutages pour eau sous pression, d'ajutages supersoniques, d'ajutages pneumatiques, mais on peut aussi utiliser pour cela des disques ou cuvettes rotatifs. L'eau pulvérisée ou atomisée peut être. dirigée dans le sens radial, mais il est avantageux d'orienter les buses ou ajutages plus ou moins dans le sens de l'air introduit tangentiellement, ou bien dans le sens contraire. Les buses peuvent facilement être disposées selon n'importe quelle orientation en les montant sur ces tuyaux 8 qui peuvent tourner autour d'axes parallèles à celui de la tour. tes conduites 8 alimentent les buses en eau et servent de supports à celles-ci. L'eau refroidie est recueillie au fond de la tour. Une cuvette 9 est prévue pour cela. L'eau pulvérisée se précipite sur les aubes ou sur le chemisage du cylindre, pour s'écouler ensuite à travers l'ouverture annulaire 10 dans la cuvette à eau 9. Le fond ll de la tour proprement dite empêche l'air tournant de fouetter l'eau qui se trouve dans la cuvette 9 pour former d'autres gouttes. Â sa sortie de la tour, l'eau refroidie est dirigée vers un dispositif 12 qui peut être un condenseur à refroidir. Dans des tours de refroidissement de dimensions relativement réduites,on peut injecter l'eau vers le centre, mais dans des constructions plus grandes il peut être avantageux d'injecter l'air à une distance d'environ 0,80 m à partir de la paroi interne du chemisage du cylindre. C'est la distance que les gouttelettes doivent parcourir dans la tour, et par conséquent il s'agit-là d'un facteur d'une extrême importance, attendu qu'il faut une certaine distance pour que les gouttelettes soient efficacement refroidies. Une poche 13 est ménagée dans la paroi de la sortie d'air pour recueillir l'eau précipitée. Le cylindre 14 qui peut également comporter une poche d'écoulement est conçu en vue de promouvoir la précipitation des gouttelettes d'eau. Les tubulures 15 servent à assurer l'écoulement de l'eau hors des poches pour alimenter la cuvette 9. Par suite de la rotation imprimée 9 l'air dans la tour de refroidissement, la pression à proximité de la paroi cylindrique devient supérieure à celle mesurée près du centre de ce cylindre, ce qui s' applique également aux sorties d'air situées aux extrémités si ces sorties ont un diamètre inférieur à celui du restant de la tour. Dans des tours de refroidissement verticales il se forme une couche d'eau qui adhère au plafond de la tour. Attendu que le courant d'air s' oppose à une rupture de ladite couche, celle-ci peut devenir relativement épaisse. En raison de la différence de pression, la couche est déplacée vers l'intérieur, contre la sortie d'air, où l'eau est entraînée en totalité ou partiellement avec l'air vers l'extérieur, à travers cette sortie d'air. On peut empêcher cela en donnant au plafond 16 de la tour de refroidissement une forme sensiblement conique, afin qu' elle s'incline vers le bas à partir du centre. La différence de hauteur entre la sortie d'air et la paroi du cylindre, mesurée en millimètres, doit être supérieure à la différence de pression mesurée en mm d'eau à la jauge entre la paroi du cylindre et la sortie d'air. Il est également possible de réaliser le fond inférieur incliné vers le bas à partir du centre, pour éviter l'accumulation d'eau au milieu. Enfin, on peut aussi, en utilisant des ailettes, des tôles métalliques ou éléments similaires diriger vers l'extérieur la couche d'eau qui se trouve au plafond. Si la vitesse de l'air dans la tour de refroidissement devient trop élevée, il peut être préférable d'éviter de diminuer la section de la sortie d'air. Dans ce cas, la tour de refroidisse-ment aura le même diamètre sur toute sa longueur ou hauteur. Il est important que les gouttes d'eau soient uniformé- ment réparties. Ainsi, il est très avantageux que l'air balaye l'espace devant les buses de pulvérisation d'eau. Par conséquent, dans une tour verticale où plusieurs buses sont disposées les unes au-dessus des autres sur une mesgée, par exemple en étant montées sur des conduites verticales communes, il est important que ces buses soient placées à des niveaux différents. Il est également essentiel de pouvoir pulvériser l'veau sous forme de menues gouttelettes. Si cet effet est réalisé en utilisant de faibles pressions d'eau, il est avantageux d'avoir recours à des buses présentant des orifices de faible diamètre. Toutefois, si l'eau venait à contenir des corps étrangers ou contaminants, ces orifices risqueraient de se colmater. Pour éviter des pannes de ce genre, on peut concevoir les dispositifs de telle sorte qu'il soit possible de fermer une partie du réseau d'alimentation en eau de l'appareil pendant la marche de ce dernier, et de nettoyer ainsi la partie isolée à l'aide d'air comprimé ou de vapeur. On peut aussi procéder au nettoyage des buses par le vide. La description qui précède ne conserne que des tours de refroidissement. Cependant, dans le préambule de cette description il a été suggéré d'autres dispositions analogues. Cela signifie qu'il existe des dispositifs ou installations ayant la même construction que des tours de refroidissement mais qui servent à d'autres fins, surtout pour d'autres liquides que l'eau et d'autres gaz que l'air. Il a donc été jugé plus simple de décrire et de comprendre un dispositif particulier, par exemple une tour de refroidissement, que d'entrer dans le détail d'une description plus générale. Il convient enfin de souligner que les revendications-qui suivent doivent être prises dans leur acceptation la plus générale, attendu que la disposition prévue peut être adoptée pour d'autres cas, par exemple dans la construction de tours d'absorption, de distillation, d'humidification, d'échangeurs de chaleur par voie humide, etc. - REVENDICATIONS 1.- Un agencement pour le trnn-fert synchrcne de eha- leur et de masse entre un liquide et in gaz dans des dispositifs d'échange thermique, tels que, par exemple, do,s tours de refroidissement, des tours d'absoption,des tours de distillation, des humidificateurs, des échangeurs de chaleur opérant par voie humide, conçus pour fonctionner selon le système du tirage forcé et comprenant une enveloppe sous forme d'une enceinte ou d'un espace cylindrique, conique, axialement symétrique ou pseudoaxialement symétrique, ayant une section transversale par exemple de forme polygonale, et muni, dans un chemisage interne, de r'lu- sieurs entrées pour une matière gazeuse, au moins une sortie dans au moins une des extrémités de cette enceinte, caractérisé en ce que les entrées amour le gaz sont munies d'aubages ou elle-même er forme d'aubages-propres à diriger l'écoulement gazeux tangentiellement vers l'intérieur de l'enceinte, afin d'imprimer du gaz, par exemple de l'air, introduit dans ladite enceinte grâce à un ventilateur ou une soufflante disposé du côté sortie ou entrée de l'encente, un mouvement de rotation autour de l'axe ae cette enceinte avec une composante de vite-se orientée radialement vers l'intérieur, soit vers le centre de cette enceinte, tandis que le liquide devant être mis en contact avec le gaz est pulvérisé vers l'intérieur de l'enceinte par des éjecteurs tels que, par exemple, des buses, des cuvettes tournantes, de manière que le liquide soit l)ulvérisé sous forme cie gouttelettes qui sont entraînées sous l'influence du gaz mis en rotation, de la force centrifuge et de sa vitesse initiale résiduelle, ces gouttelettes se déplaçant par conséquent radialement vers l'extérieur ou en formant un certain angle avec le rayon, en ontre-courant avec le gaz qui s'é- coule vers l'axe central de l'enceinte. 2.- Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce twe le chemisage de ladite enceinte, autour de sa circonférence ou de certaines parties de celle - ci , présente des aubes pouvant nivoter autour "axes parallèles à celai de l'ence te, cette enceinte étant constituée, dans le sens dudit axe, par une ou plusieurs couronnes espacées d'aubages que l'on peu; faire pivoter caret, t. 3.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens érecteurs précités comportent des buses conçues pour assurer la DuSvérisation du liquide et qui sont disposées sur une surface cylindriqUe imaginaire et placées à une certaine distance de l'intérieur du chemisage de l'enceinte, à l'intérieur de l'écoulement gazeux engendré dans celle-ci. 4.- Agencement selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que les buses de pulvérisation du liquide sont montées sur des conduites parallèles à l'axe e ltenceinte et pouvant pivoter de telle sorte que ces buses puissent être orientées dans différentes directions. 5.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les aubages prévus peuvent pivoter dans une direction contraire à celle de la rotation du gaz, les angles des aubes étant choisis de manière à supprimer totalement ou partiellement la rotation du gaz. 6.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu il est prévu dans la sortie de l'enceinte, en amont du ventilateur ou soufflante, au moins une couronne sans fond, la paroi de sortie ainsi que cette couronne présentant des oches de paroi destinées à évacuer le liquide précipité. 7.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans des tours de refroidissement à axe vertical, le plafond et éventuellement le fond inférieur s'inclinent vers le bas à partir de l'axe de l'enceinte. 8.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la totalité ou une fraction de la tuyauterie peut être fermée pour permettre cie nettoyer lestuses à liquide aveccie l'air comprimé, de la vapeur ou par l'effet du vide. 9.- Agenceízent selon'inde quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par une tour cylindrique à axe horizontal comportant des sorties pour les gaz à chaque extrémité.