Brevet FR2338471A1 — publié le 19770812

L'invention concerne des éléments modulaires de tours de refroidissement deiliquides par échange thermique avec de l'air à contre-courant. Ces élé- ments modulaires sont assemblés entre eux en nombre suffisant pour composer une tour de refroidissement de surface d'échanges correspondant à la quantité de calories à évacuer par unité de temps. Il est bien eonnu de refroidir de liteau, par exemple, l'eau du circuit secondaire des centrales thermiques, dans des tours formant cheminées, généralement en forme dthyperbololdes de révolution. L'eau secondaire à refroidir ruisselle de haut en bas sur une série d'auges, de rigoles et de coupelles destinés à la fractionner en gouttelettes multiples, cependant qu'un courant d'air, mû soit par tirage naturel, soit par tirage forcé, circule à contre-courant de bas en haut. Le refroidissement de liteau est du à une double cause : la convection entre l'eau et l'air dTune part, et l'évaporation de eau, d'autre part. Ces réfrigérants, tres économiques et tres simples, de réalisation ont cependant deux inconvénients - une partie des calories soustraites étant due à l'évaporation de l'eau, il y a évidemment une perte, ce qui dans les régions où l'eau est rare, présente des inconvénients. - l'entraînement vésiculaire de gouttelettes d'eau provoque un panache de vapeur au-dessus des cheminées pouvant conduire dans certaines régions à des formations de brouillard. Aussi, ces réfrigérants sont-ils parfois remplacés par des réfrigérants secs, dans lesquels l'eau à refroidir n'est pas en contact direct avec l'air. Ce dernier circule toujours par convectIon naturelle ou forcée, mais autour de faisceaux de tubes ou de plaques à l'intérieur desquels passe le liquide à refroidir. Bien entendu, pour faciliter les échanges thermiques, ces faisceaux surface doivent présenter un rapport volume le plus élevé possible et la paroi des tubes ou des plaques doit etre aussi mince que possible.Dans le cas, par exen- ple des échangeurs à plaques tels que représentés sur la figure 2 (coupe AA'), le liquide à refroidir circule depuis.la partie haute à droite de la figure jus qu a la partie basse à gauche, en se divisant en une multitude de petits canaux gravés dans les plaques et représentés par l'intervalle entre les traits obliques de la figure. De telles plaques peuvent etré fabriquées par exemple par--la technique "Roll-Bond" ou par tout autre technique. La construction d'une tour complète de refroidissement nécessite évi- demment un nombre élevé de ces plaques ; il faut donc pour les supporter une charpente importante, lourde et compliquée, et un réseau de tuyauteries d'ali- mentation complexernécartaf tant un travail considérable de montage sur le chantier. La demanderesse a découvert qu'il était possible d'utiliser les canalisations d'alimentation en eau des plaques comme ossature portante, et de cons truire une tour eeJwplete de refroidissement par superposition de modules élé- mentaires -ous identiques, autoportants, composés du faisceau de plaques, de leur alimentation et de leur évacuation en eau. Il suffit donc de raccorder entre elles les canalisations pour obtenir par superposition et juxtaposition de modules en quantité suffisante, une tour de réfrigération de puissance déterminée. Ce systeme de modules présente deux autres avantages : tous les cir cuits de plaques sont alimentés avec la même perte de charge, puisque les alimen tations à partir de l'arrivée sont identiques, présentent la mème longueur de canalisations, le même nombre d'accidents tels que coudes et embranchements. Enfin, ces nodules peuvent être réalisés de dimensions telles qu'ils puissent être transportés facilement, par camion par exemple. Dans ces conditions, ils sont fabriqués, montés et contrôlés en usine, le travail sur le chantier se limitant à un simple assemblage par raccordement de canalisations. Ce système de refroidissement, objet de l'invention, s'applique non seulement au refroidissement de l'eau dans les centrales thermiques et en parti culier dans les centrales thermiques nucléaires mais également à tout échange thermique entre un fluide liquide et un fluide gazeux dans lequel on veut éviter le contact entre lez deux fluides. L'exemple qui va étre décrit ci-dessous illus tre une des applications possibles : celle du refroidissement de l'eau secondaire dans une centrale thermique. La figure 1 représente une vue en élévation d'une tour de refroidis sement I surmontée de sa cheminée 2. Les dimensions approximatives de cet ensewr ble sont, pour une centrale de 100 MW électriques : hauteur totale 50 m dont, environ 20 m de hauteur de tour et 30 m de hauteur de cheminée, diamètre 50 m. La circulation de l'air par tirage naturel est indiquée par les flèches. La planche II représente un des modules élémentaires - une vue par la face avant, côté entrée de l'air : figure 2 - une vue de droite : figure 2 a - une coupe suivant le plan AA' : figure 2 b. Sur la coupe suivant le plan AA', on voit nettement la coupe d'une des plaques et de ses tuyaux d'alimentation. En-dessous et en-dessus du module représenté en traits pleins, on peut voir l'amorce en traits mixtes des éléments voisins inférieur-et supérieur. Chaque module se présente donc comme un parallélépipède rectangle dont les arêtes sont des tubes servant d'ossature pour les plaques et pour certains d'entre eux de canalisations d'alimentation et d'évacuation d'eau. Sur le mode particulier de réalisation de la figure 2, les plaques sont supportées par une série de montants en forme de tubes dont certains jouent en me & temps le rôle de canalisation d'arrivée, d'évacuation, de collecteurs d'alimentation et d'évacuation. Les arêtes du parallèlépipêde formant module sont constituées sur la face avant côté entrée de l'air par deux tubes verticaux repérés 7 et deux tubes horizontaux repéres 6 et P. En outre pour augmenter la cohésion de l'ensemble un tube de renfort vertical 12 au milieu de la facea,ant et deux tubes obliques formant entretoises 10 peuvent être ajoutés de même que sur les faces latérales : repère 11. La face arrière présente la même disposition de tubes que la face avant. Les tubes verticaux sont repérés 1 et les tubes horizontaux sont repéres 2 et 9. Sur cette figure 2, les plaques de forme rectangulaire sont empilées verticalement les unes contre les autres à l'intérieur du module :l'une de ces plaques est vue en coupe schématique sur la coupe AAt, tandis qu'elles sont vues par la tranche sur la vue face avant : les traits paralleles repérés 4 représentent l'empilement des plaques successives, la distance entre deux traits étant égale à l'épaisseur de la plaque. Sur l'exemple représenté figure 2, l'alimentation des plaques se fait en parallele par l'intermédiaire du tube horizontal 2 jouant?ie rôle de collec- teur d'alimentation ; sur ce collecteur sont pratiqués autant de piquages 3 que de plaques. L'eau après avoir traversé l'échangeur, s'écoule par une série de piquages 5 dans le tube horizontal 6 jouant le rôle de collecteur d'évacuation. Pour bien comprendre la circulation.du fluide à refroidir, dans les différents tubes et taverses, il faut se reporter achéma général de l'enses- ble de refroidissement d'une tour telle que représenté en perspective sur la figure 3. Cette tour est constituée par la superposition de plusieurs modules. Un échangeur plaque situé vers la partie inférieure de la tour (repère 13) et un échangeur plaque situé vers la partiesupérieure de la tour (repère 14) sont seuls représentés. Le fluide à refroidir, par exemple de l'eau, arrive par la canalisation verticale 15 et par l'intermédiaire des tubes horizontaux supérieurs arrière alimente par une série de piquages, chacune des plaques à sa partie supérieure. Pour la plaque 13 et pour toutes ses voisines appartenant au même module, l'alimentation se fera donc par le collecteur horiontal 16 ; pour la plaque 14 et ses voisines de même module par le collecteur horizontal 17. Ces collecteurs d'alimentation 16 et 17 ne eommuniquent donc pas avec le tube vertical 18 mais seulement avec le tube 15 qui les alimente. Après avoir traversé- les plaques, l'eau refroidie est collectée pour la plaque 13 par le collecteur horizontal 19, pour la plaque 14 par le collecteur horizontal 20 qui viennent alimenter le tube vertical 21 dans lesquels le liquide de refroidissement monte jusqu'au Doint 22. A partir de ce point 22, l'eau s'écoule par les collecteurs horizontaux 23 et 24 (ou par l'un des deux seulement) qui alimentent les tubes d'évacuation de l'eau refroidie 18 et 25. Naturellement, les tubes 19 et 20 et leurs analogues ne communiquent qu'avec le tube 21 où ils s'évacuent et non pas avec le tube 25 qui sert à la descente de l'eau. L'examen de ce schéma permet de fixer les circulations de fluide dans chaque module élémentaire. La figure 4 en perspeetive schématise ces circulations. Le collecteur horizontal supérieur côté arrière 17 qui sert à l'alimentation des plaques à leur partie supérieure est parcouru par un courant de fluide dans le sens de la flèche. Il en est de même pour le collecteur formant l'arête opposée 20 qui est parcouru par un courant de fluide dans le même sens. Par contre les autres tubes horizontaux 26 et 27, ne sont parcourus par aucun courant de fluide. Il en est de même pour les 4 autres traverses horizontales qui leur sont perpendiculaires 28, 29, 30 et 31. En revanche, toutes les arêtes verticales sont parcourues par des cor rants de fluide ; l'arête 15 par un courant ascendant de fluide alimentant les plaques ; l'arête 21 par un courant ascendant provenant des plaques ; les arêtes 18 et 25 par les courants descendants d'évacuation. Les seules communications entre tubes d d'un même module existent entre 15 et 17 , 17 et 20 par les circuits de plaque, 20 et 21. En outre , les éléments de tube 15, 21, 25, 18 sont raccordés aux élé- ments homologues des modules supérieur et inférieur. Le module supérieur fait exception : l'élément de tube 21 communique avec les traverses horizontales 24 et 23 de la figure 3 qui elles mêmes communi- quent respectivement avec les tubes verticaux 25 et 18 pour permettre l'évacua- tion de l'eau. Il est clair qu'une telle.disposition permet d'alimenter toutes les plaques avec la même perte de charge qu'elles soient situées a la base ou à la partie supérieure de la tour. En se reportant en effet à la figure 3, si l'on considère les circuits allant de a en f (point 22) et passant soit par la plaque 13 soit par la plaque 14 et que l'on calcule la longueur de chacun de ces deux circuits, on obtient les résultats suivants - Circuit passant par la plaque 13 ab + bc + cd + de + ef = (ab + ef) + (bc + de) + cd - circuit passant par la plaque 14 ag + gh + hi + ij + jf = (ag + jf) + (gh + ij) + hi. Or ab + ef = ag + ef * ag + jf = hauteur de la tour - hauteur d'une plaque. b.c + de = gh + ij = longueur du module. cd = hi = traversée d'une plaque. Les longueurs des circuits sont donc les mêmes de meme que le nombre et la forme des coudes et des tés. Le module ainsi décrit représente une réalisation préférée de l'invention mais il est clair que lton peut imaginer des circuits dTalimentation légè- rement différents comprenant par exemple plusieurs tubes verticaux d'alimentation sans sortir du cadre de l'invention. REVENDLCATIONS 10) Module d'échangeur de chaleur entre un liquide circulant à l'inte- rieur -tun ensemble de plaques et un gaz de circulation libre ou forcée, carac térise en ce que chaque modUle comprend une ossature tubulaire supportant les plaques, en ce que les tubes composant cette ossature servent de canalisations pour l'alimentation et-lsevacuation de liteau à refroidir, et en ce que le montage d'une tour de refroidissement 'de puissante déterminée s obtint par la juxtaposition d'un nombre suffisant de ces modules tous identiques, un tel montage consistant seulement à raccorder entre elles les tubes d'alimentation et d'évacuation des modules juxtaposés. 20) Tour de refroidissement par air à tirage naturel de l'eau de refroidissement secondaire de centrales thermiques caractérisée en ce qu'elle est constituée par un assemblage de modules identiques conformes à la revendication 1. 3 ) Tour de refroidissement constituée de modules conformes à la revendication 1 caractérisée en ce que le circuit d'alimentation de tontes les plaques appartenant a n'importe quel module présente la même perte de charge c'est-à-dire comporte la même longueur de canalisations, et le même nombre de tés et de coudes.