Brevet FR2316565A1 — publié le 19770128

La présente invention a trait à un échangeur de chaleur destiné à assurer l'échange thermique entre un liquide et un gaz, notamment de l'air, cet échangeur étant du type comprenant une série d'éléments d'absorption de chaleur pouvant être mis en contact d'échange thermique alternativement avec le liquide pendant une première période, en arrosant les éléments avec ce liquide, puis avec le gaz pendant une seconde période. L'échangeur de chaleur suivant la présente invention convIent tout particulièrement pour les applications ou il est nécessaire d'éliminer par refroidissement un excédent de chaleur dans des industrie de traitement et des centrales thermiques. Dans ces cas, le but recherché consis-t fréquemment à dissiper par refroidissement de trés grandes quantités de chaleur, et il est alors d'usage d'adopter des échangeurs de chaleur qui transfèrent la chaleur vers la mer, un cours d'eau ou l'atmosphère environnante lorsqu'on dispose d'eau, celle-ci, en règle générale, constitue le moyen de refroidissement le plus économique, en raison de ses capacités supérieures d'absorption de chaleur. Cependant, lorsqu'on ne dispose pas d'eau de qualité et en quantité suffisantes, il devient nécessaire d'utiliser l'atmosphère en tant que milieu de refroidissement. On peut avoir recours dans ce cas aux tours refroidissement ou aux refroidisseurs à air. Dans une tour de refoidissement, l'eau de traitement est mise en con tact avec un courant a d'air engendré par un ventilateur ou produit par simple tirage naturel, ce qui détermine une évaporation partielle de l'eau en coursde traitement. Quant au refroidisseur à air, il s'agit d'un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur est transférée à l'air par l'entremise d'une surface chauffante. L'air atmosphérique est envoyé à travers la surface chauffante grâà des ventilateurs ou par tirage naturel produit par un conduit de cheminée. Le refroidisseur à air peut fonctionner sans utiliser de l'eau tirée de l'environnement et aussi sans alimentation en énergie, si l'on adopte le système du tirage naturel. Ces avantages sont contre-balancés cependant par un coût élevé de l'installation, attendu que la faible capacité de transfert thermique de l'air nécessite l'emploi de grandes surfaces de chauffage. Les tours de refroidissement sont d'un prix de revient relativement bas, puisqu'elles fonctionnent par mélange direct d'eau de traitement qui est partiellement évaporée.Les frais d'exploitation a d'une tour de refroidissement sont toutefois élevés car l'eau est polluée par l'air et se perd partiellement par évaporation et éclaboussure ou batbotage. En raison de l'utilisation de l'environnement dans une mesure croissantepour des fins de refoidissement, de sérieurx inconvénients commencent à se produire dans les lacs et rivières, par suite de leur échauffement anormal. I1 est dont devenu indispensable d'utiliser davantage l'air , cependant, les tours de refroidissement présentent l'inconvénient de diffuser du bouillard, et le refroidissement par air semble être le système le moins nocif pour l'environnement, puisqu'il ne réchauffe pas l'eau des lacs et rivières et ne diffuse aucun brouillard dans l'atmosphère. Les refroidisseurs à air comportentdes faisceaux de tubes munis d-e minces ailettes destinées à accroître la surface de contact avec l'air. Toutefois, attendu que l'air absorbefaiblement la chaleur, il faut recourir à de puissants courants d'air, et par conséquent adopter de grandes surfaces de passage d'air, les refroidessement à air sont caractérisés tout d'abord par le fait qu'ils occupent de très grandes surfaces d'implantation en dehors des usines de traitement. En plus de la contraction des passages d'air les tubes à circulation d'eau déterminent une chute de pression dans le colonne d'air, ce qui exige une diminution de la vitesse relative de l'air, diminution qui entraîne à son tour un accroissement de la demande en ce qui concerne la dimension de la section transversale du passage d'air et aussi de l'espace nécessaire pour l'implantation de l'installation y relative. Les refroidisseurs à air soulèvent des problèmes de fonctionnement si l'on prévoit de les exploiter dans des climats variables. Ils doivent être capables de fonctionner à leur rendement maximal dans l'air chaud de l'été, et ne doivent pas éclater par le gel en hiver. Ils doivent aussi être équipés de stores à lamelles commandées sur toute la section de passage de l'air. Pour éviter la nécessité de donner au refroidisseur à air les dimensions qui correspondent à la plus forte température atmosphérique et de maintenir la section coupée et occultée en hiver, on utilise fréquemment une combinaison de refroidisseur à air et de tour de refroidissement. Cela permet de consommer de l'eau pour obtenir un effet de refroidissement énergique en été, et d'assurer le fonctionnement avec un refroidisseur à air plus petit pendant l'hiver. Cette combinaison est également utilisée'pour diminuer l'évaporation de l'eau provenant des tours de refroidissement afin d'éliminer la production de brouillard qui pourrait être nuisible à l'environnement. L'échangeur de chaleur suivant la présente invention est destiné à amélioré le rendement du refroidisseur à air en utilisant beaucoup mieux que dans les refroidisseurs classiques à tubes à ailettes la matière des surfaces destinées a dissiper la chaleur, et aussi en facilitant l'écoulement de l'air à travers l'instalation.L'invention permet également de varier l'effet de refroidissement dans une gamme étendue de valeurs et cela autrement qu'en faisant intervenir et en neutralisant des secteurs en réserve. On obtient ainsi une construction davantage compacte et économique, laquelle exige beaucoup moins d'espace pour son implantation. L'échangeur de chaleur suivant la présente invention est essentiellement caractérisé en ce qu'ilcomprend des moyens pour protéger les éléments échangeur contre le gaz pendant une période réglable de temps entre la première période de contact avec le liquide et la seconde période; de contact avec le gaz.En contrôlant la période de temps au cours de la quelle les éléments sont protégées de l'écoulement gazeax, il est possible de contrôler la quantité de liquide restant sur chaque élément lorsqu'il est mis en contact avec l'écoulement gazeux, Cette quantité de liquide restant sur les éléments est évaporée par le contact avec le gaz, et il devi ent alors possible de contrôler la capacité d'échange thermique en utilisant non seulement la capacité d'absorption de chaleur des éléments mais aussi la chaleur spécifique et la chaleur d'évaporation du liquide. On décrira maintenant un mode pré éré de réalisation de l'échan- geur de chaleur suivant l'invention, destiné à être utilisé pour refroidir de l'eau provenant d'une centrale thermique, en se référant au dessin annexé, sur lequel La figure 1 montre une vue en élévation et coupe partielle de l'échangeur thermique, et La figure 2 montre une vue en coupe horizontale faite suivant la ligne II-II de la Figure 1. Sur le dessins, on voit en 1 un manchon cylindrique ouvert au sommet et à la base, lequel est supporté par un bâti 2, Dans cemanchon sont agencés un nombre important de plaques métalliques verticales 3 disposées radialement à des intervalles angulaires égaux. Les plaques 3 sont supportées dans ce manchon 1 par plusieurs ferrures 4 et 5, Seules quelques-unes de ces plaques sont représentées sur la Figure 2, Au-dessus des plaques 3 sont disposés plusieurs tubes radiaux 6 également placés à des intervalles égaux et qui servent à arroser les plaques 3 en formant des rideaux de pluie d'eau, Pour plus de clarté, seuls quatre tubes 6 sont représentés sur la Figure 2. Eventuellement, ces tubes peuvent être agencés de manière à l'arroser d'eau seulement certaines parties des plaques, par exemple un seul côté de celles-ci. Les tubes 6 sont alimentés en eau chaude provenant d'une vasque centrale 7 dans laquelle l'eau est introduite par une conduite 8. Au-dessous des plaques 3 et de chacun des tubes 6 sont prévus des collecteurs 9 estinés à recueillir l'eau qui ruisselle sur les plaques 3. Cette eau est envoyée dans un bac central 10 d'où elle retourne vers la centrale thermique grâce à une conduite 11 et une cuve 12 qui alimente une pompe 14 entraînée par un moteur 15. Les tubes radiaux 6, la vasque centrale 7, les collecteurs 9, le bac central 10 et la conduite 11, constituent un ensemble rigidement interconnecté grâce à un arbre vertical 26 pour former un bloc qui peut tourner dans un support de palier 16 sous l'impulsion d'un moteur 17 et a d'un réducteur 18. La vitesse de rotation de cet ensemble est réglable pour les raisons exposées plus loin. L'arbre verticale 26 se compose d'un tube à travers lequel on peut diriger tout excédent d'eau de refroidissement, directement entre la vasque centrale 7 et la cuve de réception 12. Pendant le fonctionnement de l'appareil, l'air est aspiré dans le manchon 1 par l'entrée 19 de ce dernier et refoulé vers le haut à travers ce manchon.1 sous l'impulsion d'un ventilateur 20 entrainé par un moteur 21 dont l'arbre 22 commande un réducteur 23. L'air ne circule qu'à travers l'espace annulaire formé entre le manchon 1 d'une part et l'écran cylindrique 24 et un écran conique 25, d'autre part, espace dans lequel sont suspendues les plaques 3 qui sont arrosées d'eau par l'intermédiaire des tubes distributeurs 6 sont protégées contre 11 écoulement d'air pendant un certain temps par les éléments collecteurs 9 qui, vus en plan, sont des caissons ouverts en forme de secteurs. Le temps pendant lequel les plaques sont protégées contre l'air de refroidissement après leur arrosage par l'eau à refroidir est fonction, bien entendu, de la vitesse laquelle 11 ensemble comprenant les tubes de distribution 6 et les éléments collecteurs 9 tourne autour de son axe, c'est-à-dire de la vitesse à laquelle chacune des plaques défile en regard d'un élément collecteur 9. Ainsi qu'il apparaît clairement sur le dessin, les tubes de distribution 6 sont disposés dans des plans verticaux, juste à l'interi- eur de la paroi radiale de ces éléments collecteurs 9 qui franchisent en premier chaque plaque 3 lorsque l'ensemble 6, 9 tourne autour de son axe. Pendant le fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus, les plaques 3 sont successivement arrosées avec l'eau à refroidir et se trouvent ainsi mises en condition d'assurer le contact échangeur de chaleur avec celle-ci. Les plaques 3 absorbent la chaleur provenant de l'eau et la transfèrent dans l'air de refroidissement auquel elles sont exposées, de'manière à se trouver en contact d'échange thermique avec cet air ; les plaques sont alors refroidies et ensuite de nouveau arrosées avec l'eau provenant d'un tube suivant de distribution, et ainsi de suite. Lorsque l'appareil fonctionne à sa capacité maximale d'échange thermique, la totalité des plaques sont arrosées d'eau chaude, et l'ensemble rotatif comprenant les tubes de distribution 6 et les éléments collecteurs 9 tourne à sa vitesse maximale. Une quantité maximale d'eau séjourne par conséquent sur les plaques où elle est exposée à l'écoulement d'air de refroidissement.Cela signifie non seulement que les plaques transfèrent leur propre chaleur à l'air de refroidissement, mais aussi que la plupart de l'eau qui arrose ces plaques restera sur celles-ci lorsqu'elles seront ensuite exposées au courant d'air, pour finalement s'écouler et être recueillie dans la cuve 12, cela fait évaporer beaucoup d'eau et produit le transfert d'une quantité considérable de chaleur d'évaporation dans l'air de refroidissement. il s'ensuit que l'appareil fonctionne comme une combinaison de tour de refroidissement et de refroidisseur à air qui convient particulièrement bien aux climats comportant des étés très chauds. La capacité d'échange thermique est progressivement réduite en diminuant la vitesse de rotation de l'ensemble rotatif défini plus haut. A mesure que la vitesse de rotation diminue progressivement, la quantité d'eau s'écoulant des plaques arrosées par cette eau augmente, celles-ci étant protégées par les éléments collecteurs 9. Dans ces conditions, la quantité de chaleur d'évaporation cédé à l'air de refroidessement diminue progressivement. Dés que la vitesse de rotation a été réduite au minimum, les plaques ont suffisamment de temps pour sécher complétement avant d'être exposées au courant d'air, et dans ce cas seule la quantité de chaleur absorbée par les plaques est transférée à l'air de refroidissement. Cela s'applique par temps froid et se révèle particulièrement avantageux en hiver, attendu que l'on supprime toute génération de vapeur, une autre possibilité de contrôler la capacité d'échange de chaleur consiste à régler les tubes de distribution 6 de telle sorte qu'une fraction de plus en plus réduite de plaques 3 soit exposée à l'arrosage. Bien entendu, diverses variantes et modifications peuvent être apportées à la réalisation pratique de l'invention sans s'écarter cependant des principes de base de celle-ci ainsi qu'il apparaîtra clairement à tout spécialiste l'art. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour échanger de la chaleur entre un liqui de et un gaz, plus particulièrement de l'air, du type compre nant une série d'éléments (3) propres à être mis en contact d'é change thermique alternativement avec le liquide, pendant une première période par arrosage de ces éléments par le liquide, puis avec le gaz, pendant une seconde période, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) pour protéger les éléments (3) par rapport au gaz pendant une période réglable de temps qui se situe entre les première et seconde périodes précitées. 2. Echangeur de chaleur selon la Revendication 1, comprenant plu sieurs plaques verticales (3) disposées radialement dans un man chcn cylindrique (1) ainsi que des moyens (6) pour arroser les plaques tour à tour avec le liquide tombant sur ces plaques, caractérisé en ce qutil comporte des éléments collecteurs (9) pour recueillir le liquide s'écoulant des plaques, un ventila teur (20) pour produire un courant gazeux à travers le manchon, et des moyens d'entraînement (17, 18) pour faire tourner les moyens d'arrosage (6) ainsi que les éléments collecteurs (9) par rapport aux plaques, ces éléments collecteurs étant propres à protéger les plagues de l'écoulement gazeux pendant une période de temps réglable par rapport à la vitesse de rotation, afin de contrôler la quantité de liquide mise en contact avec l'ecoule- ment gazeux.