Brevet FR2270541A1 — publié le 19751205

La présente invention concerne un appareil destiné au refroidissement de l'eau, du type à évaporation, utilisé notamment pour de très nombreuses applications industrielles. Dans le but de refroidir de l'eau, il est déjà connu d'utiliser des refroidisseurs dits du type à évaporation. Le principe de fonctionnement de ce type de refroidisseur est fondé sur le fait que l'eau est dispersée dans un courant gazeux, de préférence dans un flux d'air atmosphérique, de manière à obtenir un excellent contact entre 11 eau et le courant gazeux. Une certaine partie de cette eau dispersée dans le refroidisseur subit une évaporation, la chaleur de vaporisation étant extraite de la partie restante de l'eau dont la température se trouve par suite abaissée. De manière à produire une évaporation importante, on a déjà proposé d'utiliser des refroidisseurs que l'on a équipé de grandes surfaces de ruissellement, ainsi que d'appareils de mise en circulation de l'air tels que des ventilateurs L'utilisation de ces ventilateurs entraîne un grand nombre dtinconvé- nients notamment du point de vue de l'entretien et de l'insonorisation de l'installation. On a également déjà proposé des refroidisseurs ne comportant pas de ventilateurs, et dans lesquel la mise en circulation de l'air est obtenu uniquement par injection d'eau. De tels refroidisseurs permettent d'obvier aux inconvénients mentionnés précédemment. L'objet de la présente invention relève d'une conception nouvelle des refroidisseurs à évaporation du type à injection. La demanderesse a en effet constaté que, si l'on dispose, en aval des moyens d'injection d'eau pulvérisée, un échangeur jouant le r8le de séparateur de gouttelettes et de sécheur, on améliore considérablement le rendement thermique des refroidisseurs antérieurs. Ces résultats, prévisibles par le calcul théorique, ont été en fait largement confirmés par l'expérience. L'objet de la présente invention se rapporte à un appareil de refroidissement de l'eau, du type à évaporation, qui comporte en combinaison - au moins un passage présentant, à sa première extrémité, une entrée de flux d'air atmosphérique et, à sa deuxième extrémité, une sortie d'évacuation dudit flux d'air - au voisinage de la première extrémité dudit passage, des moyens d'injection d'eau pulvérisée sous pression produisant dans ledit passage des jets divergents - un échangeur relié auxdits moyens d'injection et monté en aval de ces derniers, ledit échangeur présentant une entrée alimentée par l'eau destinée à être refroidie ; et - des moyens destinés à receuillir l'eau refroidie qui sont situés en aval dudit échangeur. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention ledit~passage de l'appareil de refroidissement de l'eau est alimenté en eau pulvérisée sous pression au moyen de conduites verticales équipées chacune d'une pluralité de gicleurs orientés selon une même direction. Selon une autre variante particulièrement avantageuse de l'invention l'appareil de refroidissement de l'eau comporte un séparateur statique pouvant être installé en amont ou en aval de l'échangeur, ou encore au sein même de la structure de ce dernier. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention l'appareil de refroidissement de l'eau se présente sous la forme de plaques ou de tubes en serpentin parcourus par l'eau destinée à être refroidie et avantageusement équipés d'ailettes favorisant la fonction de séchage et de séparation des gouttellettes. On expliquera ci-après 1'invention plus en détail en se référant aux dessins annexés, illustrant un mode de réalisation particulier de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un appareil de refroidissement de l'eau selon l'invention couplé à un puits de chaleur d'une installation de climatisation ou d'une centrale thermique ; et - la figure 2 représente une vue en perspective de l'appareil selon l'invention avec arrachement de la face avant de manière à faire apparaître sa structure interne. La figure 1 représentant schématiquement un mode de réalisation particulier de l'objet de l'invention, est destinée à faire comprendre le principe de fqnctionnement de cet appareil de refroidissement de l'eau. L'appareil de refroidissement de l'eau est couplé à un système de puits de chaleur faisant partie d'un dispositif de climatisation ou d'une centrale thermique. Sur les figures 1 et 2, les éléments identiques seront désignés par les mêmes références. L'appareil représenté aux figures 1 et 2 comporte un -seul passage 10 présentant à sa première extrémité 12 une entrée d'un flux d'air atmosphérique à température ambiante. La présente invention consiste à injecter à grande vitesse de l'eau finement pulvérisée au travers du passage 10 de manière à provoquer un entrarnement important d'air. Cette eau pulvérisée injectée sous pression joue par conséquent le rôle d'une source d'énergie provoquant la circulation de l'air au travers du passage 10. Dans ce but, l'appareil selon l'invention comporte, au voisinage de la première extrémité 12 du passage 10, des moyens d'injection dteau pulvérisée sous pression. Ces moyens d'injection sont constitués par une pluralité de conduites verticales 14 équipées chaçune d'une pluralité de gicleurs 16. Ces gicleurs 16 orientés selon une meme direction provoquent l'injection de l'eau pulvérisée dans le passage 10 sous la forme de jets d'eau divergents. La pulvérisation sous pression de l'eau par le moyen des gicleurs 16 permet, par échange de quantité de mouvement, d'entratner une quantité importante d'air dans l'appareil. Ceci a pour conséquence d'obtenir un effet équivalent à celui produit par une multitude de ventilateurs, à la différence près qu'il n'existe pas la moindre pièce mobile.Dans pareille disposition l'énergie mécanique est fournie par une pompe unique dont la fiabilité est plus grande que celle d'un ensemble de ventilateurs et dont l'encombrement est bien moindre. Lorsque l'eau pulvérisée est injectée au travers d'une zone de rétrécissement, l'entratnement d'air se trouve considérablement amélioré. C'est pourquoi on remarque sur la figure 1 que le passage 10 est agencé, au voisinage de sa première extrémité, sous la forme d'un venturi 18. L'injection de l'eau pulvérisée par l'intermédiaire des gicleurs 16 s'effectue sous la forme de jets divergents dont la direction générale est sensiblement parallèle à l'axe du venturi 18 au voisinage de sa zone de rétrécissement 20. Les gicleurs 16 sont avantageusement placés en amont de la zone de rétrécissement 20 du venturi 18. Ce venturi 18 a donc pour unique fonction de favoriser le mouvement d'une quantité maximale d'air, ce qui permet d'obtenir un excellent transfert de chaleur.Au-delà de la zone de rétrécissement 20 du venturi 18 il existe une région dans laquelle l'énergie cinétique se transforme en énergie potentielle. Bien que, le transfert de chaleur le plus intense s'effectue au voisinage de la zone de rétrécissement 20, on obtient dans la région précitée un transfert additionnel de chaleur. On rappelle que dans la partie 22 du passage 10 l'eau pulvérisée aspirant l'air est animée de vitesses très supérieures à celles de l'air.Il en résulte un déplacement relatif très important entre l'air et l'eau, ce qui assure la bonne qualité du mélange air-eau. Ce mélange intime provoque ainsi l'évaporation d'une partie de l'eau, la chaleur de vaporisation étant extraite de la partie restante de l'eau dont la température se trouve par suite abaissée. Au-delà de cette partie 22, le passage 10 comporte un échangeur 24 qui a une fonction de séchage et de séparation de gouttelettes d'eau. Cet échangeur 24 se présente sous la forme d'une surface de ruissellement qui joue le rôle d'un éliminateur de buée. L'échangeur 24 relié aux conduites verticales 14 équipées des gicleurs 16 est monté en aval de ces derniers. L'échangeur 24 présente une entrée 26 par l'intermédiaire de laquelle il se trouve alimenté en eau à refroidir. Après avoir traversé la totalité de l'échangeur 24 cette eau alimente les gicleurs 16. Il convient de remarquer ue, si l'on désire obtenir un rendement thermique élevé, il est absolument indispensable de monter cet échangeur 24 en aval des gicleurs 16.En effet, dans cette disposition en aval, on bénéficie d'une amélioration considérable du coefficient d'échange, étant donné que dans cette région l'air se trouve chargé d'humidité. Cet échangeur 24 peut se présenter sous la forme de plaques ou bien encore sous la forme de tubes en serpentin 28 parcourus par l'eau à refroidir. Il est bien évident que l'on améliore considérablement la fonction de séparation de gouttelettes et de séchage en équipant la surface extérieure de ces plaques ou des tubes en serpentin 28 d'un grand nombre d'ailettes 30, telles que représentées sur la figure 2. L'ensemble de ce matériel décrit précédemment, essentiellement constitué par un "échangeur à dispersion" monté en série avec unnéchangeur à surface", peut autre installé dans une structure métallique, plastique ou encore en béton armé ou précontraint. Au-delà de l'échangeur 24, l'appareil de refroidissement de l'eau selon l'invention comporte des moyens destinés à recueillir l'eau refroidie obtenue essentiellement par ruissellement le long des surfaces utiles extérieures dudit échangeur 24. Sur les dessins annexés ces moyens sont représentés par un réservoir de récupération 32. Si l'on estime que l'action de séchage obtenu grâce à la présence de l'échangeur 24 est insuffisante, on peut prévoir une séparation additionnelle des gouttelettes en équipant le passage 10 d'un séparateur statique 34 réalisé par exemple sous la forme d'un matelas due grillage, d'un système à chicanes ou à cyclone en soi parfaitement connus et pouvant être installé en amont ou en aval de l'échangeur 24 ou encore au sein même de la structure dudit échangeur. Par ailleurs, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'appareil de refroidissement de l'eau selon l'invention présente un passage 10 dont la seconde extrémité 36 permettant l'évacuation du nux gazeux est agencée sous la forme d'une sortie d'évacuation à échappement vertical. Cette disposition particulière permet d'éviter une influence défavorable créée par le vent. Néanmoins, il est préférable de ménager autour de l'appareil un espace suffisant assurant une alimentation conve nable en air. L'appareil de refroidissementde l'eau tel que représenté à la figure 1 est couplé à un dispositif 38 puits de chaleur d'une installation de climatisation ou d'une centrale thermique. L'eau froide stockée dans le bac de récupération 32 est envoyée dans le dispositif de refroidissement 38 par l'intermédiaire d'une pompe 40. Dans ce dispositif 38 l'eau joue le rôle de source froide et quitte donc ce dispositif 38 à une température plus élevée qui, dans l'expérience faite par la demanderesse, est de l'ordre de 400C. Cette eau à 400C traverse l'échangeur 24, en ressort à environ 230C et pénètre après passage par l'intermédiaire des gicleurs 16 dans la région 22 où elle se trouve à une température toujours de l'ordre de 230C. Dans le bac de récupération 32, l'eau est récupérée à une température de 230 C environ.L'air ambiant pénétrant dans le passage 10 par sa première extrémité 12 est évacué par la sortie à échappement vertical 36 à une température de l'ordre de 250C. L'appareil selon l'invention présente par rapport aux refroidisseurs antérieurs connus un certain nombre d'avantages importants. C'est ainsi que le flux d'air sortant de l'appareil selon l'invention se trouve convenablement séché ce qui permet de réduire au maximum les risques de panaches visibles, de brouillard et de verglas. Il convient également de noter que l'adjonction d'un "échangeur à surface" ô4 monté en série et en aval d'un "échangeur à dispersion" permet d'augmenter de façon déterminante le rendement thermique de l'appareil de refroidissement de l'eau En supprimant l'échangeur 24 et en opérant dans des conditions tout à fait analogues à celles énoncées précédemment, l'eau récuq pérée dans le réservoir 32 aurait une température bien supérieurq aux 230C annoncés ci-dessus. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation particulier décrit précédemment, mais il est parfaitement possible, sans pour autant sortir du cadre de l'invention, d'imaginer diverses variantes de réalisation. C'est ainsi que, 11 échangeur peut être réalisé sous la forme de plaques, de tubes lisses en serpentin éventuellement équipés d'une plura lité d'ailettes. Le séparateur statique 34 peut être installé en amont ou en aval dudit échangeur 24 ou encore au sein même de la structure dudit échangeur. On rappelle également qutil est tout à fait possible de réaliser un appareil de refroidissement de l'eau selon l'invention, qui comprendrait plusieurs passages analogues au passage 10 décrit en référence aux dessins annexés. L'échangeur 24 peut également être placé dans la gaine verticale 36 d'évacuation du flux d'air. REVENDICATIONS 1.- Appareil de refroidissement de l'eau, du type à évaporation, comportant au moins un passage présentant, à sa première extrémité, une entrée de flux d'air atmosphérique et, à sa deuxième extrémité, une sortie d'évacuation dudit flux dtair, des moyens d'injection d'eau pulvérisée sous pression située au voisinage de la première extrémité du passage et produisant dans ce dernier une pluralité de jets divergeants, ainsi que des moyens destinés à recueillir l'eau refroidie, appareil caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un échangeur qui est relié directement auxdits moyens d'injection et qui est monté en aval de ceux-ci, ledit échangeur présentant une entrée alimentée par l'eau destinée à être refroidie, et par le fait que les moyens destinés à recueillir l'eau refroidie sont situés en aval dudit échangeur. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un séparateur statique pouvant être installé en amont ou en aval dudit échangeur, ou encore au sein même de la structure de l'échangeur. 3.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait quelle séparateur statique est constitué par un matelas de grillage, un système à chicanes ou encore un système à cyclone. 4.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens d'injection d'eau pulvérisée sont constitués par une pluralité de gicleurs orientés selon une même direction. 5.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit passage est agencé, au voisinage de'sa première extrémité, sous la forme d'un venturi, l'injection de l'eau s'effectuant sensiblement dans la direction dudit venturi au voisinage de sa zone de rétrécissement. 6.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'échangeur se présente sous la forme de plaques ou de tubes en serpentin, avantageusement équipés d'ailettes favorisant la fonction de séchage et de séparation des gouttelettes. 7.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la seconde extrémité dudit passage destiné à l'échappement du flux d'air est agencée sous la forme d'une sortie d'évacuation à échappement vertical.