Brevet FR2321673A1 — publié le 19770318

L'invention concerne un dispositif de refroidissement ou de concentration d'un liquide par évaporation. Si lton ne dispose pas d'une source d'eau froide facilement accessible telle que rivière ou mer, il est nécessaire dans de nombreuses industries de recourir à des moyens de refroidissement, en circuit fermé, des eaux de circulation. C'est pourquoi de nombreux types de tours de refroidissement ont eété imaginés. Generalement ces tours sont de grandes dimensions et sontjsoit à tirage naturel par cheminées, soit jàtira- ge forcé équipées de ventilateurs aspirants ou soufflants, le choix de ces tours étant évidemment fonction de l'industrie concernée et de son implantation. Ces types de tours sont basés sur le principe de refroidissement par évaporation. En effet, il est connu que l'air permet l'évaporation d'une quantité plus ou moins grande de liquide selon sa pression, sa température et son degré hygrométrique. Or, pour qu'une partie de liquide s' évapore, elle doit emprunter des calories à la masse du liquide qui, de ce fait, se refroidit. L'évaporation d'une partie du liquide à refroidir, généralement de l'eau, est obtenue dans ces types de tours à l'aide de surfaces de ruissellement. Cependant un type relativement nouveau de tour comporte des buses de pulvérisation qui pulvé- risent horizontalement l'eau à refroidir à l'intérieur de la tour en entrainant de grands volumes d'air. Le mélange intime air-eau permet l'échange de chaleur par évaporation sans qu'il y ait besoin de surface de ruissellement. Le dernier type décrit est avantageux par rapport aux tours classiques, étant donné que les surfaces de ruissellement, souvent complexes et coûteuses, sont-supprimées et que la surface de contact entre le liquide pulvérisé et l'air est maximal. Cependant l'évaporation est obtenue dans une atmosphère légèrement en surpression, ce qui nuit à l'efficacité de 1' évaporation et donc au refroidissement. Pour améliorer le rendement et réduire le coût de revient, l'invention propose un dispositif de refroidissement qui ne nécessite pas de surfaces de ruissellement et qui permet une évaporation dans un milieu légèrement dépressurisé. En dehors du refroidissement de l'eau, il est évident qu'en outre il est possible d'obtenir avec un dispositif analogue un concentrateur de liquide. En effet, si le liquide soumis à l'évaporation se refroidit,la réduction de son volume lui permetde se concentrer. Il va de soi que si c'est une concentration qui est désirée, on cherchera au contraire à réchauffer au maximum le liquide pour en améliorer l'évaporation. De très nombreux liquides ont besoin ainsi d'être concentrés, par exemple : les moûts de raisins, les jus de fruits, les vinasses de distilleries, les rejets de laiteries, etc. Un tel dispositif de concentration permet également d'adoucir l'eau de mer. L'eau salée concentrée est rejetée -ou reçue dans des marais salants tandis que les vapeurs d'eau désalée sont récupérées par condensation.L'adoucissement de l'eau de mer est particulièrement importante et concerne notamment de nombreux pays côtiers dépourvus d'eau douce. Les concentrateurs généralement utilisés dans l'industrie se présentent sous forme d'un faisceau tubulaire dans lequel circule de la vapeur sous pression et autour duquel circule le liquide à concentrer. C'est un autre but de l'invention de proposer un dispositif de concentration de liquide fonctionnant par évaporation partielle dudit liquide. L'invention a donc pour objet un dispositif de concentration ou de refroidissement d'un liquide par évaporation remarquable en ce qu'il comporte une cheminée verticale d'évaporation munie à sa partie supérieure d'un ventilateur aspirant et à sa partie inférieure d'un moyen de pulvérisation du liquide et d'une prise d'air, tandis qu'un dispositif de récupération du liquide refroidi ou concentré et une évacuation de l'air humide sont prévus de sorte que le ventilateur crée dans ladite cheminée une légère dépression,de-30 millibars relatif par exemple, et un courant d'air ascendant destinés à entrainer le liquide pulvérisé en fines gouttelettes et provoquer ainsi son évaporation partielle et donc son refroidissement ou sa concentration. Le dispositif de récupération du liquide refroidi ou concentré, ainsi que le moyen de pulvérisation du liquide peuvent bien entendu être de divers types. En outre si le dispositif est destiné à servir en concentration, des moyens de chauffage du liquide et de l'air aspiré sont prévus, comme on le verra au cours de la description qui va suivre d'exemples de réalisation selon 1l'invention. La description qui va suivre se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre schématiquement un dispositif selon l'invention, destiné à refroidir un liquide, les figures 2a et 2b montrent respectivement en coupe et vue de dessus un pulvérisateur semblable à celui utilisé dans le dispositif de la figure i, la figure 3 montre schématiquement un dispositif selon l'invention, destiné à concentrer un liquide, la figure 4 représente une variante du dispositif de récupération du liquide des dispositifs des figures I et 3. Le schéma de la figure I montre un dispositif monté en refroidisseur et comportant une cheminée d'évaporation 1 verticale constituée par un cylindre muni à sa partie supérieure d'un récupérateur de liquide et à sa partie inférieure d'un pulvé- risateur 2. Le dispositif de récupération du liquide refroidi est constitué par un cyclone 3 qui communique par un tuyau 4 avec le haut de la cheminée 1. Le cyclone 3 est muni à sa partie inférieure d'un siphon 5. Le cyclone 3 est surmonté d'un ventilateur 6. Le bas de la cheminée 1 comporte un bac 7 en forme d'entonnoir tandis que le pulvérisateur 2 est disposé dans un conduit 8 d'amenée d'air.Ce dernier traverse le bac 7 et la cheminée 1 et s'ouvre par son autre extrémité dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'un volet 9 de réglage. Le siphon 5 se déverse dans le bac 7 à l'aide d'une canalisation 10 qui traverse la cheminée 1, tandis que le bac 7 est pourvu à sa partie inférieure d'un tuyau d'évacuation li. Le pulvérisateur 2 est montré plus en détail aux figures 2a et 2b. il est constitué par une conduite 12 d'alimentation du liquide sous pression qui débouche tangentiellement (figure 2b) dans un cylindre 13 fermé dans sa partie inférieure par un disque 14 et dans sa partie supérieure par un disque 15 muni en son centre d'un ajour 16. Le cylindre 13 est disposé dans le conduit d'air 8, et la conduite 12 traverse ce dernier. Le conduit 8 est avantageusement muni d'une protubérance annulaire interne 17 ménagée autour du cylindre 13 de sorte que le liquide est pulvérisé par l'ajour 16, sous forme d'un entonnoir et peut être entrainé par un courant d'air. Le fonctionnement est simple à comprendre. Le pulvérisateur 2 pulvérise le liquide à refroidir sous forme de fines gouttelettes tandis que le ventilateur 6 crée à l'intérieur de la chemin née 1 une légère dépression, de l'ordre de 30 millibars relatif ainsi qu'un courant d'air ascendant grâce au conduit d'amenée d'air 8. L'air admis entraine alors les fines gouttelettes de liquide, qui, au cours de leur ascension dans la cheminée, se trouvent dans un milieu favorable à leur évaporation partielle. Les gouttelettes qui parviennent tangentiellement dans le cyclone 3, sont projetées sur la paroi interne de ce dernier et ruissellent jusque dans le siphon 5 qui est destiné à compenser la dépression qui règne dans le cyclone; Du siphon 5, le liquide refroidi se déverse dans le bac 7 par la canalisation 10, d'où il est récupéré par le tuyau d'évacuation Il, tandis que l'air humide s'échappe par une sortie 18 ménagée à la hauteur du ventilateur 6. il va sans dire que le liquide refroidi peut être recyclé afin d'obtenir un refroidissement accru. Un tube barométrique 19 ou autre dispositif est avantageusement prévu pour mesurer la pression qui règne dans la cheminée d'évaporation afin de régler en conséquence le volet 9 d'admission de l'air pour obtenir la dépression voulue. Le dispositif montré à la figure 3 est destiné à concentrer un liquide tel un moût de raisin par exemple. Ce dispositif comporte comme pour le dispositif décrit précédemment, une cheminée d'évapor#ation 20, un cyclone 21 qui communique avec la cheminée par un tuyau 22, un ventilateur 23, 'un siphon 24, et un bac en forme d'entonnoir 25 disposé dans le bas de la cheminée. Le moyen de pulvérisation est ici un peu différent de celui décrit précédemment. Ce moyen de pulvérisation est constitué par le bac 25 déjà mentionné, à la partie inférieure duquel est prévu un tuyau 26 d'arrivée du liquide pour que celui-ci remplisse ledit bac à niveau sensiblement constant par un moyen qui sera décrit plus loin, tandis qu'un conduit 27 d'admission d'air traverse la cheminée 20 et le bac 25. Le conduit 27 est pourvu d'une pluralité de très fins canaux tels que 28, type venturi, qui débouchent dans ledit conduit à un niveau légèrement inférieur à celui du liquide dans le bac et qui communiquent avec ce dernier de sorte que l'air aspiré dans la cheminée entraine le liquide sous forme de fines gouttelettes crées à la sortie desdits canaux. Le dispositif de concentration représenté comporte en outre un récupérateur de chaleur 29 sous forme d'échangeur, muni d'une part, d'un ventilateur 30 aspirant, de débit inférieur au ventilateur 23 et comportant, d'autre part, une prise d'air 31 débouchant dans l'atmosphère. Un tuyau d'admission 32 de vapeurs chaudes est ménagé au dessus du récupérateur de chaleur 29, dont l'intéret sera expliqué plus loin. Sous le récupérateur 29 est disposé un échangeur 33 qui communique avec ce dernier par une rampe 34 destinée à récupérer les condensats obtenus. L'échangeur 33 est destiné à réchauffer le liquide à cencentrer qui circule dans celui-ci à contre courant des condensats recueillis du récupérateur 29.L'échangeur 33 est constitué par une pluralité de petits tubes non représentés ( les parcours respectivement du liquide et des condensats sont seulement schématisés par des flèches) afin d'obtenir le meilleur échange possible de chaleur entre le liquide et lesdits condensats. Cet échangeur 33 comporte -en outre un tuyau d'évacuation 48 des condensats, un tuyau 35 d'alimentation en liquide tandis que ledit liquide est évacué de l'échangeur et amené jusqu'au bac 25 par le tuyau 26 déjà cité connecté à cet effet audit échangeur. De plus une sortie 36 aménagée a la partie haute de la rampe 34 est prévue pour l'évacuation des produits non condensables tel S02 par exemple, tandis qu'une électrovanne 38 est aménagée sur le tuyau 35 d'alimentation en liquide afin de régler le niveau constant de ce dernier dans le bac 25.Le conduit 27 qui débouche au milieu du bac 25 est relié à la sortie du récupérateur 29 pour être alimenté en air grâce au ventilateur 30. En outre le dispositif décrit comporte une cuvette circulaire 39 disposée dans la cheminée 20 sensiblement dans sa partie médiane pour récupérer un liquide semi concentré. De plus une conduite d'évacuation 40 pour l'air humide est disposée à la périphérie du ventilateur 23. Cette conduite 40 comporte une perforation 41 destinée aux eaux de condensations résiduelles. Le dispositif décrit ci-avant peut fonctionner de diverses façons . Tout d'abord, il peut fonctionner en dispositif de concentration suiveur, c'est-à-dire branché à la suite d'un premier dispositif, auquel cas le tuyau d'admission 32 est relié à la conduite d'évacuation des vapeurs du premier dispositif. Dans cette disposition la vapeur qui arrive par le tuyau 32 passe dans le récupérateur 29 de grande surface où elle est condensée. Les calories dégagées par cette condensation sont absorbées par le courant d'air créé par le ventilateur 30 et la prise d'air 31. Ce dernier aspire l'air chauffé à une température pouvant atteindre 900 C et le refoule sous une pression d'environ+30 millibars dans le conduit 27 qui débouche dans le bac 25.. Le liquide à concentrer, du moût de raisin par exemple, est envoyé par le tuyau 35 dans l'échangeur 33 de manière à réchauffer ledit liquide à une température pouvant atteindre 800 C, ledit liquide circulant comme il a déjà été dit à contre courant des condensats provenant du récupérateur 29. Le liquide à concentrer est ensuite envoyé dans le bac 25 par le tuyau 26, où il est maintenu à niveau sensiblement constant à l'aide de l'électrovanne 38.L'air comprimé et chaud, refoulé par le ventilateur 30 permet la pulvérisation du liquide grâce aux canaux 28. Le ventilateur 23 d'un débit supérieur au ventilateur 30 facilite l'ascension des gouttelettes de liquide, en créant dans la cheminée 20 une dépression de l'ordre de - 30 millibars relatif et permet une évaporation partielle du liquide. Le liquide concentré est ensuite récupéré à la sortie du siphon 24 après être passé dans le cyclone 21, de la manière déjà décrite à propos du dispositif de refroidissement déjà décrit, tandis que les vapeurs humides et chaudes sont évacuées par la conduite 40. Il est évident que ce dispositif peut être branché ailleurs qu'a la sortie d'un premier dispositif de concentration, comme notamment à la sortie des machines qui rejettent dans l'atmosphère des vapeurs ou des gaz de combustion. En outre, si aucune source de chaleur n'est utilisable pour réchauffer l'air et le liquide à concentrer, le dispositif décrit est capable de fonctionner en circuit fermé. Pour cela la conduite d'évacuation 40 pour l'air humide est branchée sur le tuyau d'admission 32 du récupérateur 29 par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur. La figure 4 montre un autre dispositif de récupération du liquide qui peut remplacer de manière économique les cyclones 3 et 21 décrits ci-avant. Ce dispositif disposé en haut de la cheminée d'évaporation 43 comporte un ensemble de déflecteurs schématisés en pointillé 42,de forme hélicoïdale,qui sont fixés sur la paroi de ladite cheminée 43. Les gouttelettes de liquide frappent lesdits déflecteurs et tombent. Un ventilateur 44 est disposé au sommet de la cheminée afin de créer le courant d'air ascendant nécessaire. Ce dernier subit, du fait des déflecteurs, une impulsion rotative et se trouve éjecté sensiblement selon les flèches dessinées sur cette figure à la périphérie du ventilateur 44, les pales du ventilateur ayant une forme appropriée. La partie basse retournée des déflecteurs forme des gouttières 45 destinées à recueillir les gouttelettes du liquide concentré, tandis qu'une gouttière d'évacuation périphérique 46 est fixée à la paroi de la cheminée et sert de déversoir aux gouttières 45. Le liquide concentré est alors facilement-récupéré de ladite gouttière 46 au moyen par exemple du tuyau d' évacuation 47. De très nombreuses modifications peuvent être apportées aux dispositifs décrits sans sortir du cadre de l'invention. En outre certains moyens décrits pour le dispositif de concentration peuvent être utilisés pour le dispositif de refroidissement et vice-versa, comme par exemple les moyens de pulvérisation et de récupération. De plus il est facile d'imaginer un dispositif complet capable de fonctionner soit en refroidisseur, soit en dispositif de concentration à l'aide de systèmes de vannes et de dérivations. Les dispositifs décrits permettent de multiples applications comme #il a déjà été dit. Le dispositif refroidisseur selon l'invention concerne de très nombreuses industries et peut en outre constituer un moyen contre la pollution thermique des eaux de mer et de rivières, engendrée par exemple par les centrales nucléaires. En outre, en concentration, il est clair qu'il est possible non seulement de concentrer un grand nombre dé liquides, mais qu'il est encore possible d'adoucir l'eau de mer. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de concentration ou de refroidissement d'un liquide par évaporation , caractérisé en ce qu'il comporte une cheminée verticale d'évaporation munie à sa partie supérieure d'un ventilateur aspirant et à sa partie inférieure d'un moyen de pulvérisation du liquide et d'une prise d'air, tandis qu'un dispositif de récupération du liquide refroidi ou concentré et une évacuation de l'air humide sont prévus de sorte que le ventilateur crée dans ladite cheminée une légère dépression# de-30 millibars relatif par exemplejet etun courant d'air ascendant destinés à entrainer le liquide pulvérisé en fines gouttelettes et provoquer ainsi son évaporation partielle et donc son refroidissement ou sa concentration 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération du liquide refroidi ou c#oncentré est un cyclone qui communique avec le haut de la cheminée et qui est muni dans sa partie inférieure d'un siphon destiné à compenser la dépression qui règne dans le cyclone; et en ce que le ventilateur est disposé au dessus du cyclone de sorte que les gouttelette#s de liquide en suspension dans l'air aspiré dans ledit cyclone arrivent tangentiellement dans ce dernier , sont projetées sur la paroi interne de celui--ci et ruissellent jusque dans le siphon, tandis que l'air humide est évacué sensiblement à la hauteur du ventilateur. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de récupération du liquide est constitué par un ensemble de déflecteurs, de forme hélicoldale, fixés dans la partie supérieure de la cheminée, par des gouttières de récupération des gouttelettes formées par la partie basse retournée des déflecteurs et par une gouttière périphérique d'évacuation du liquide fixée sur la paroi interne de la cheminée et qui communique avec lesdites gouttières de récupération,tandis que le ventilateur est disposé au dessus des déflecteurs et que 1' air humide est évacué à la périphérie dudit ventilateur. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de pulvérisation du liquide est constitué par un bac, de préférence en forme d'entonnoir, disposé dans la partie inférieure de la cheminée la partie inférieure duquel un tuyau d'arrivée du liquide est prévu pour que ce dernier remplisse ledit bac à niveau sensiblement constant, au moyen par exemple d'une électrovanne, tandis que l'air est admis dans la cheminée par un conduit qui traverse le bac et qu'une pluralité de très fins canaux type venturi, sont solidaires dudit conduit d'admission d'air et débouchent dans ce dernier à un niveau légèrement inférieur à celui du liquide dans le bac, tout en communiquant avec ce dernier de manière telle que l'air aspiré dans la cheminée entraine le liquide sous forme de fines gouttelettes créées à la sortie desdits canaux. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de pulvérisation est constitué par une conduite d'alimentation du liquide sous pression qui débouche tangentiellement dans un cylindre fermé dans sa partie inférieure par un disque et dans sa partie supérieure par un disque perforé en son centre tandis que ledit cylindre est disposé dans un conduit d'amenée d'air > muni avantageusement d'une protubérance annulaire interne ménagée autour du cylindre de sorte que le liquide pulvérisé en fines gouttelettes sous forme d'un entonnoir par l'ajour central du cylindre est entrainé en fines gouttelettes par l'air aspiré. 6 - Dispositif de refroidissement selon l'ensemble des revendications 1, 5 et 2 ou 3, caractérisé en ce que le bas de la cheminée d'évaporation est constitué par un bac, de préférence en forme d'entonnoir, en ce que le conduit d'amenée d'air traverse la cheminée et ledit bac et débouche par son autre extrémité dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'un volet permet tant de régler le débit d'air admis dans la cheminée, en ce que le moyen de pulvérisation est du type selon la revendication 5, en ce que le dispositif de récupération du liquide est du type selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, en ce qu'un siphon de récupération est prévu à la sortie du dispositif de récupération, lequel siphon se prolonge par une canalisation de déversement qui traverse la cheminée et débouche dans le bac, et en ce que le liquide refroidi est récupéré à la partie inférieure dudit bac muni à cet effet d'un tuyau d'évacuation, tandis que l'air humide est expulsé par le ventilateur dans l'atmosphère et qu'un dispositif de mesure de pression est avantageusement prévu pour mesurer la pression à l'intérieur de la cheminée d'évaporation afin de régler en conséquence le volet d'admission de l'air pour obtenir la dépression voulue, environ -3Q millibars relatif par exemple. 7 - Dispositif de concentration selon l'ensemble des revendications 1, 4 et 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte outre la cheminée d'évaporation et son ventilateur aspirant, un moyen de pulvérisation selon la revendication 4, un dispositif de récupération du liquide selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, un récupérateur de chaleur sous forme d'un échangeur muni, d'une part, d'un ventilateur aspirant, dit amont,de débit inférieur à celui disposé au sommet de la cheminée et, d'autre part,d'une prise d'air débouchant dans l'atmosphère, tandis qu'une admission pour des vapeurs chaudes est prévue sur ledit récupérateur de chaleur et qu'un échangeur est disposé sous ce dernier pour recueillir les condensats produits et réchauffer le liquide à concentrer qui circule à contre courant des condensats, ledit échangeur étant muni d'une part, d'une évacuation du liquide réchauffé pour conduire ce dernier dans lebac de pulvérisation et, d'autre part, d'une évacuation des condensats et d'une alimentation du liquide munie d'une électrovanne de réglage du niveau dans le bac, de sorte que l'air débouche du ventilateur amont sous une pression d'environ + 30 millibars par exemple, dans le conduit d'admission de l'air qui arrive dans le dispositif de pulvérisation, une cuvette étant éventuellement disposés dans la cheminée d'évaporation dépressurisée sensiblement à mihauteur afin de récupérer du liquide semi-concentré. 8 - Dispositif de concentration selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'admission de vapeurs chaudes ménagé sur le récupérateur de chaleur est branchée sur la sortie de vapeurs ou de gaz de combustion d'une machine quelconque ou encore tala sortie d'un autre concentrateur. 9 - Dispositif de concentration selon la revendication 7 destiné à fonctionner en circuit fermé, caractérisé en ce que l'admission de vapeurs chaudes ménagée sur le récupérateur de chaleur est branchée sur ltévacuation de l'air humide dont est munie la cheminée d'évaporation au niveau de son ventilateur supérieur, par l'intermédiaire d'une pompe å chaleur.