Brevet FR2309816A1 — publié le 19761126

L'invention se rapporte à une tour de refroidissement à circuit d'échange de chaleur dans lequel l'air de refroidissement est mis en contact direct avec l'eau devant entre refroidie et à dispositif de déversement destiné à répartir 11 eau sur la section de la tour qui comprend par ailleurs un capteur de gouttes et sur au moins approximativement la section totale duquel est disposé un système de tuyaux placé au-dessus du circuit d'échange de chaleur et comprenant une arrivée et un départ d'un fluide de transfert de chaleur. L'eau subit le refroidissement par échange combiné de substances et de chaleur (vaporisation et convection) dans ces tours dénommées aussi tours de refroidissement par voie humide qui peuvent être à tirage naturel ou à circulation forcée de l'air par aspiration ou refoulement par ventilateur. L'eau devant autre refroidie est d'abord dirigée sur un dispositif de répartition et de là, est déversée uniformément sur le circuit d'échange de chaleur qui comprend en général des déflecteurs à surfaces de ruissellement de l'eau. Il se produit dans le circuit d'échange de chaleur un contact intime avec l'air de refroidissement dont la circulation peut être assurée soit par des ventilateurs, soit par effet de cheminée dans les tours à tirage naturel.Ces tours sont équipées d t un capteur de gouttes qui élimine ces dernières de l'air de refroidissement évacué et qui les recycle dans la tour afin d'éviter ltentratnement mécanique de ces gouttes d'eau par le courant d'air. Un grave inconvénient des tours connues de refroidissement par voie humide, en particulier de celles qui ont une relativement grande capacité et donc une grande hauteur, par exemple de 100 m et davantage, est que l'air humide de refroidissement qui en sort produit dans certaines conditions climatiques, et en particulier en hiver, de la buée qui forme des nuages dans l'atmosphère environnant la tour. Ces nuages de buée créent une forte gêne pour le trafic sur route, par chemin de fer et dans les airs. De plus, ces nuages de buée peuvent réduire le rayonnement solaire dans ltenvironnement des tours. Ces buées risquent d'aboutir à des couches dangereuses de nuages en présence de formations topo graphiques particulières ou d'état atmosphérique à inversion. Une solution connue à ce problème, c'est-à-dire de la réduction de la formation de buée, a consisté jusqu'à présent à remplacer les tours de refroidissement par voie humide par des tours par voie sèche. Dans ce dernier type de tour, l'eau devant être refroidie circule dans un système fermé de conduits dont la surface est balayée par de l'air de refroidissement. La chaleur n'est transférée de l'eau à l'air que par convection sans échange de substances(vaporisation) entre les deux fluides. l'air de refroidissement ntest donc pas humidifié dans ce cas, car il n'absorbe que de la chaleur sèche. Donc, aucune formation de nuages dans l'atmos- phère nta lieu à la sortie de l'air de ces tours, même dans des conditions climatiques très défavorables, car cet air n'a qu'une relativement faible teneur en humidité. Toutefois, les tours de refroidissement par voie sèche ont de graves inconvénients et en particulier celui que leur réalisation représente des investissements considérables et non rentables et quelles ont un très grand encombrement, car le volume de l'une de ces tours est approximativement quatre fois plus grand que celui d'une tour de refroidissement par voie humide ayant la même capacité de refroidissement. L'invention a donc pour objet une tour de refroidissement par voie humide, mais qui ne provoque aucune formation de buée et qui n'a pas les inconvénients mentionnés des tours de refroidissement par voie sèche. Selon une particularité essentielle de l'invention, le système de conduits est disposé à distance au-dessus du capteur de/gouttes et le fluide de transfert de la chaleur est de la vapeur de chauffage qui se condense au cours de son passage dans le système de conduits qui comprend une arrivée de vapeur de chauffage et une évacuation du condensat. La tour de l'invention a l'avantage considérable qu'elle est à refroidissement par voie humide et donc qu'elle nécessite des investissements et qu'elle occupe un espace considérablement moindres que ceux des tours de refroidissement par voie sèche, en particulier lorsqu'elle a une grande capacité, et cependant la formation de buée à la sortie de l'air est évitée avec sécurité mdme lorsque l'atmosphère est à basse température. En effet, le point de rosée de l'air d'évaeuation n'est atteint par mélange avec l'air extérieur qu'à une distance considérable de la tour de refroidissement et en cet emplacement, cet air d'évacuation n'est plus présent quten faibles traces, de sorte qu'aucun nuage ne peut se former à grande distance de la tour. Selon un mode de réalisation avantageux, conforme à l'invention, le système de conduits consiste en multiples tuyaux parallèles et horizontaux, placés à distance les uns des autres et dont les extrémités opposées sont reliées à des collecteurs auxquels sont raccordés l'arrivée de la vapeur de chauffage et le départ de la vapeur condensée, les tuyaux pouvant être munis extérieurement d'ailettes de manière que les surfaces de transfert de chaleur soient très grandes. En variante avantageuse de réalisation de l'invention, le système de conduits consiste en au moins un réseau plan de tuyaux disposés à peu près horizontalement dans la tour, les tuyaux de ce réseau pouvant être recourbés en aiguilles à cheveux doubles et pouvant aussi être munis d'ailettes destinées à améliorer le transfert de chaleur. le réseau plan de tuyaux n'est de préférence pas rigoureusement horizontal dans la tour, mais incliné sur l'évacuation de la vapeur condensée afin d'assurer l'écoulement continu du condensat. le système de conduits peut en principe être alimenté par toute source convenable de vapeur. Toutefois, selon une autre particularité avantageuse entrant dans le cadre de l'invention appliquée à une centrale de production de force motrice, le conduit d'arrivée est raccordé à une prise d'une turbine à vapeur et l'évacuation est raccordée au conduit principal de reflux du condenseur associé à la turbine. Le soulagement ainsi produit du condenseur a pour conséquence une réduction de la capacité nécessaire de refroidissement de la tour. Une autre particularité avantageuse entrant dans le cadre de l'invention consiste à prélever la vapeur chaude sur des installations chimiques consommant une grande quantité d'eau de refroidissement et à réaliser le système décrit de conduits en condenseur de va}*eur, relis à recueillir le condensat. Ce procédé est appl jable par exemple aux colonnes de rectification de ma i- à permettre d'utiliser la chaleur qui se trouve à la tête de la colonne. L'invention permet avantageusement d'exploiter une tour de refroidissement par voie humide et de n'assécher et réchauffer de manière voulue l'air de refroidissement avant sa sortie à l'atmosphère que lorsque les conditions climatiques sont défavorables, une compression permettant d'élever encore la température de la vapeur d'échappement afin d'améliorer l'effet de post-séchage à l'intérieur de la tour. L'adaptation à l'état de l'air extérieur peut s'effec- tuer par réglage du débit de la vapeur de chauffage. Le dispositif de réglage avantageusement prévu dans ce but modifie automatiquement en conséquence le débit de 11 arrivée de vapeur de chauffage ou coupe cette arrivée en fonction de l'état climatique de l'air de l'atmosphère ambiante. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure I est une représentation schématique d'une tour de refroidissement qui coopère avec une turbine à vapeur d'une centrale la figure 2 est une coupe partielle à échelle agrandie du système de conduits disposé dans la tour ; et la figure 3 illustre schématiquement une tour de refroidissement associée à une colonne de rectification. La tour de refroidissement selon la figure 1 comprend un bac 2 d'eau froide, un déflecteur 3 de ruissellement qui n'est représenté que schématiquement, un dispositif 4 de déversement disposé au-dessus de ce déflecteur et destiné à répartir l'eau devant être refroidie sur la section du déflecteur 3, un capteur 5 de gouttes, un système 6 de conduits et une cheminée 7 d'évacuation. le système 6 de conduits de cet exemple de réalisation consiste en tuyaux 6a dont les extrémités opposées sont reliées à des collecteurs 6b et 6c par l'intermédiaire de tuyaux distributeurs 6d et 6e (voir figure 2), le collecteur 6b étant raccordé à un conduit 8 de prise de vapeur sur une turbine 9 d'une centrale non représentée et le collecteur 6c étant raccordé à un conduit d'évacuation 10 relié au conduit principal 15 de reflùx du condensat sortant du condenseur 11 associé à la turbine à vapeur 9. Un conduit 12 dirige dans ce condenseur la vapeur sortant de la turbine et condensée à l'aide de l'eau refroidie dans la tour et prélevée par un conduit 13 sur le bac 2 de cette tour, puis est dirigée dans un serpentin de refroidissement disposé dans le condenseur 11 et recyclée à l'aide d'une pompe 14 dans le dispositif 4 de répartition. Une pompe 16 renvoie ce condensat par un conduit 15 dans la chambre d'eau d'alimentation du générateur non représenté de vapeur de la centrale. le mode d'exploitation de la tour de l'exemple représenté de réalisation va entre décrit. Lorsque l'état climatique de l'atmosphère entourant la tour ne risque pas de provoquer la formation de buée de l'air de refroidissement sortant de cette tour, cette dernière est exploitée par voie humide et l'organe 17 de réglage placé dans le conduit 8 de vapeur est fermé. le mode de fonctionnement d'une tour de refroidissement par voie humide étant bien connu, il ne sera pas décrit plus en détail. Toutefois, lorsque la température et l'humidité de l'at mosphère correspondent à un état climatique défavorable qui peut apparaître en particulier pendant les périodes froides de l'année, une nappe nuageuse se forme à la sortie de l'air de la tour et l'organe 17 de réglage du débit est commandé par un dispositif régulateur 18 soumis à un dispositif 19 de mesure photométrique et psychrométrique de manière que la vapeur assurant un chauffage circule à débit déterminé dans le système 6 de conduits. L'échange de chaleur avec le courant ascendant d'air de refroidissement sèche et réchauffe ce dernier, tandis que la vapeur de chauffage se condense et qu'une pompe 10a la refoule par un conduit 10 dans le conduit principal 15 de reflux du condensat.L'air ainsi asséché et réchauffé ne provoque plus aucune formation de nuage dans l'atmosphère à sa sortie de la cheminée 7. La figure 3 illustre une tour de refroidissement associée à une colonne de rectification. La colonne 23 de refroidissement comporte comme celle de la figure 1 un bac 24 d'eau froide, un déflecteur 25 de ruissellement représenté schématiquement et au-dessus duquel se trouve un dispositif 26 de déversement assurant la répartition de l'eau devant titre refroidie sur la section du déflecteur 25, un capteur 27 de gouttes, un système 28 de conduits et une cheminée d'évacuation. le système 28 de conduits de cet exemple de réalisation est du même type que celui qui est représenté sur la figure 2. Ce système 28 est constitué en condenseur de vapeur chaude. Ce système est raccordé au conduit 29 d'évacuation de la vapeur d'une colonne 30 de rectification et à un conduit 31 d'évacuation qui aboutit à un refroidisseur 32 du condensat. Ce refroidisseur peut aussi être disposé dans le bac 24 d'eau froide. le condensat peut autre réutilisé ou renvoyé à l'égout. Be mode de fonctionnement de la tour de la figure 3 est le mdme que celui de la figure 1. La différence avec le mode de réalisation de la figure 1 est que de la vapeur d'évacuation (vapeur chaude) est dirigée dans le système 28 de conduits, cette vapeur subissant un échange indirect de chaleur avec l'air évacué de sorte que ce dernier se réchauffe et se sèche, tandis que la vapeur évacuée se condense puis est dirigée par le conduit 31 sur le refroidisseur 32 du condensat. Ce condensat est réutilisé ou envoyé à ltégout selon son caractère. La vapeur d'échappement (vapeur chaude) peut éventuellement être portée par compression à température supérieure avant son introduction dans le système de conduits. L'eau refroidie dans la tour est dirigée du bac 24 dans un échangeur de chaleur 33 dans lequel elle est réchauffée par échange avec un fluide plus chaud qui peut avantageusement être un fluide provenant d'un processus chimique, puis une pompe 34 la renvoie dans le dispositif 26 de déversement. Le post-séchage de l'air évacué de la tour élimine la nappe de vapeur à la sortie de cette dernière. I1 va de soi que les tours décrites et représentées peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention qui est défini par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Tour de refroidissement à circuit d'échange de chaleur dans lequel de l'air de refroidissement est mis en contact direct avec l'eau devant entre refroidie et à dispositif de déversement destiné à répartir cette eau sur la section de la tour qui comprend par ailleurs un capteur de gouttes et sur au moins approximativement la section totale de laquelle est disposé un système de conduits placé au-dessus du circuit d'échange de chaleur et comportant une arrivée et un départ d'un fluide de transfert de chaleur, ladite tour étant caractérisée en ce que ledit système de conduits est disposé à distance au-dessus du capteur de gouttes et le fluide de transfert de chaleur est de la vapeur de chauffage qui se condense en passant dans ce système de conduits, 'me arrivée d'alimentation en vapeur de chauffage étant raccordée audit système de conduits auquel est aussi raccordé un conduit de départ destiné à l'évacuation du condensat. 2. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de conduits consiste en de multiples tuyaux parallèles, disposés horizontalement à distance les uns des autres et dont les extrémités opposées sont raccordées par l'intermédiaire de tuyaux de répartition à des collecteurs qui sont reliés eux-mêmes au conduit d'arrivée de la vapeur de chauffage et au conduit d'évacuation de la vapeur condensée. 3. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de conduits consiste en au moins un réseau plan de tuyaux disposé à peu près horizontalement dans la tour, les tuyaux de ce réseau plan étant repliés en aiguilles à cheveux doubles. 4. Tour de refroidissement selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réseau plan de tuyaux est incliné sur ltévacuation de la vapeur condensée. 5. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tuyaux comportent des ailettes. 6. Tour de refroidissement selon ]a revendication 1, caractérlsée en ce que le conduit d'arrivée est raccordé à une prise diune turbine à vapeur. 7. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conduit d'évacuation est relié au conduit principal de reflux du condensat. 8. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de conduits est constitué en condenseur de vapeur chaude et comprend un conduit d'arrivée de la vapeur d'évacuation provenant d'un processus chimique et un conduit de départ du condensat de cette vapeur. 9. Tour de refroidissement selon la revendication 8, caractérisée en ce que le conduit d'arrive est raccordé à la tette d'une colonne de rectification et le conduit de départ est raccordé à un refroidisseur du condensat. 10. Tour de refroidissement selon la revendication 9, caractérisée en ce que le refroidisseur du condensat est disposé dans le bac d'eau froide de la tour de refroidissement. 11. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de réglage du débit de l'arrivée de la vapeur en fonction de l'état climatique de ltair de l'atmosphère dans laquelle cette tour est placée.