Brevet FR2385066A1 — publié le 19781020

L'invention concerne un procédé pour la réfrigération dans un changeur de chaleur par surface d'un fluide circulant dans un circuit fermé, l'ope'ration de réfrigération s'effectuant en deux étages et où, comme fluide réfrigérant traversant on utilise exclusivement de l'air ambiant. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Un tel procédé de réfrigération est connu (brevet autrichien n0321.967). On refroidit un fluide circulant dans un circuit fermé, tout d'abord dons un premier étage avec un échangeur de chaleur par surface à refroidissement par air puis dans un deuxième étage du même échangeur, refroidi avec de l'air et de l'eau. Pour cela on arrose l'échangeur de chaleur avec de l'eau, au moyen de tuyères de pulvérisation, disposées à des hauteurs différentes. Dans le deuxième étage, le dispositif de réfrigération fonctionne donc au choix, soit comme un réfrigérant à ruissellement, lorsque 11 eau est mise en service, par exemple lorsque la température de l'air est élevée ou bien comme un réfrigérant à air uniquement, par exemple lorsque la température de l'air est basse. Dans le premier cas on arrose la surface extérieure du réfrigérant avec de l'eau, qui s'écoule sur les ailettes de refroidissement et s'évapore en partie, et dont l'autre partie est recyeillie dans un bassin, en'dessous du réfrigérant. On remplace avec de l'eau d'appoint le volume d'eau ainsi évaporé ; on repompe ensuite l'eau de refroidissement dans les tuyères de pulvérisation .Outre une structure géométrique particulière des tubes réfrigérants et des tuyères de pulvérisation, un tel réfrigérant exige un travail de pompage relativement important, si l'on veut que la totalité de la surface d'échange du deuxième étoge soit recouverte d'une pellicule d'eau. Il est probable en outre, que dans le cas où l'on n'utilise que la quantité d'eau à évaporer strictement nécessaire pour le refroidissement, il faut prévoir un traitement de l'eau de refroidissement afin d'éviter un entartrage extérieur des tubes à ailettes, et que lorsque l'eau en circulation est fortement chargée il faut prévoir des possibilités de débourbage. Le but visé par l'invention, est d'obtenir l'effet de réfrigéra tion nécessaire, même avec des températures ambiantes élevées, avec des moyens peu coûteux. Selon la présente invention, cet objectif est atteint gr8ce au fait que pour sa plus grande partie la réfrigération s'effectue dans un premier étage avec de l'air ambiant non traité, et que dans un deuxième étage c'est le petit complément de réfrigération encore nécessaire qui s'effectue avec de itair ambianr préréfrigéré. L'avantage obtenu avec l'invention réside particulièrement dans le fait que le fonctionnement du réfrigérant ne se situe pas sur la branche fortement inclinée de la caractéristique obtenue avec le refroidissement par air selon les méthodes classiques, bien que seul un refroidissement par air soit mis en oeuvre. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de réfrigération est caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur de surface est une tour de réfrigération sèche, où les tubes qui constituent les surfaces d'échange de la chaleur sont disposés de manière qu'ensuivant le sens d'écoulement du fluide à refroidir, ils soient d'abord baignés d'air ambiant non refroidi, et que seulement à l'extrémité froide des surfaces d'échange de la chaleur ils soient baignés d'air ambiant prérefroidi. C'est dans sa simplicité qu'il faut voir l'avantage particulier de ce dispositif. La réfrigération échelonnée s'effectue dans un appareil unique. On a représenté dans le dessin des exemples de réalisation de l'objet de l'invention. Les différentes figures montrent respectivement Figure 1 un schéma de principe de l'extrémité froide d'une centrale thermique, Figure 2 une coupe axiale partielle, dans la zone de la surface d'échange de la chaleur d'une tour de réfrigération sèche ;; Figure 3 une coupe partielle de la tour de réfrigération selon la figure 2, le long de la ligne de coupe A-A , Figure 4 une vue en élévation partielle des surfaces d'échange de la chaleur, Figure 5 un diagramme de la température en fonction de la partie de la surface d'échange de la chaleur, qui est intéressée par l'écoulement, Figure 6 une variante de la disposition des faisceaux tubulaires selon la figure 3, Figure 7 une variante de la partie réfrigéranteselon la fig. 2, Figure 8 une coupe partielle de la périphérie de la tour de réfrigération selon la figure 7, le long de la ligne de coupe & B. Nous allons expliquer l'invention en prenant comme exemple l'extrémité froide d'une installation de turbine à vapeur. Les éléments qui ne présentent pas d'importance pour l'invention, tels par exemple que les pompes de circulation, n'ont pas été représentés dans le dessin. Le sens d'écoulement des différents fluides est indiqué avec des flèches. Les éléments identiques sont désignés dans les différentes figures par des repères identiques. La vapeur d'échappement de la turbine qui s'écoule dans la canalisation d'échappement 1 se condense dans un condensateur classique 2 refroidi avec de l'eau, et l'eau de condensation est acheminée par la canalisation 3 à travers le train de réchauffeurs, non représenté, vers le générateur de vapeur qui n'a pas été représenté non plus. L'eau de refroidissement du condenseur, appelée dans la suite du texte le "fluide à réfrigérer" circule dans le circuit fermé 4 et elle est réfrigérée dans l'échan- geur de chaleur par la surface 5. Dans ce dernier, le repère 6 indiqué la partie prévue pour la réfrigération complémentaire selon la présente invention. Dans l'exemple choisi, l'échangeur de chaleur par surface 5 est une tour de réfrigération sèche, où l'air de refroidissement entraine par convection la chaleur cédée par le fluide à refroidir. Dans la figure 2 on a esquissé schématiquement la disposition des faisceaux tubulaires 7, qui constituent les surfaces d'échange de la chaleur. Les tubes sont disposés verticalement et ils sont réunis entre eux par les chambres d'eau 8 et 9. Les chambres d'eau 9 sont raccordées à un tuyau collecteur annulaire. Dans les figures 3 et 4 on a représenté une partie de la périphérie de la tour de réfrigération. On voit que les tubes réfrigérants groupés dans les faisceaux 7 réalisent un dispositif à deux flux (a', a") et que dans le sens de la périphérie de la tour de réfrigération ilsforment des groupes (b) séparés. Le collecteur annulaire d'amenée du fluide à réfrigérer est raccordé aux chambres d'eau 9', le fluide monte dans les faisceaux tubulaires 7 du premier flux a' jusqu'aux chambres d'eau 8 et redescend dans les faisceaux tubulaires du deuxième flux a" jusqu'aux chambres d'eau 9", qui sont raccordées à une tuyauterie collectrice de départ non représentée, d'où il retourne au condenseur en tant qu'eau froide. Les deux flux a" de deux groupes b adjacents sont disposés côte à cote et sont raccordés chacun à la tuyauterie collectrice. Selon la présente invention, au moins un huitième de la surface d'échange totale n'est pas traversée par de l'air ambiant non traité, et au moins un huitième de la surface d'échange est pourvue d'une réfrigération complémentaire. Dans l'exemple représenté on obtient ce résultat en disposant sur la partie qui doit subir cette réfrigération complémentaire un dispositif de guidage 10 (fig. 2). Ce dispositif de guidage 10 se présente essentiellement sous la forme d'un capotage constitué par deux parois latérales il et d'une plaque de recouvrement 12. A l'extrémité froide des surfaces d'échange de la chaleur, ce capotage réalise un écran de séparation entre la partie de deux flux descendants a" qui doit être particulièrement refroidie et la partie principale qui est traversée par un flux d'air non traité. Pour délimiter ainsi, par exemple, la partie définie comme représentant un huitième de la surface totale, avec la disposition choisie comportant deux flux entièrement verticaux, la hauteur des parois latérales Il doit etre égale au quart de la hauteur des faisceaux tubulaires. On réalise la réfrigération complémentaire selon l'invention, en refroissant l'air ambiant qui est aspiré par le dispositif de guidage 10 à l'intérieur de ce capotage. Ceci s'obtient judicieusement avec de l'eau, cette eau est pulvérisée de préférence au moyen de tuyères, ou bien on la fait tomber en pluie, ou bien on l'introduit sous forme de films-d'arrosa- ge, au moyen de dispositifs de guidage non représentés, des plaques ou des grilles par exemple, disposés selon la direction d'écoulement de l'air. Ce dispositif de refroidissement de l'air proprement dit, connu en soi, sert à réduire la température de l'air ambiant à une valeur plus basse, ce qui permet d'obtenir un effet de réfrigération plus intense dans les faisceaux tubulaires traversés par cet air refroidi.Par pulvérisation d'eau, on sature cet air de préférence avec de la vapeur d'eau ; dans ce cas la température du thermomètre sec tombe à celle du thermomètre humide. Si la température de l'eau est plus basse que celle de l'air humide, il est possible même, en principe, de refroidir l'air ambiant encore plus fortement Le mode de fonctionnement de l'invention repose en particulier sur le fait que l'air prérefroidi agit sur la partie de la surface de transfert de la chaleur oU les différences de température entre l'air ambiant non refroidi et le fluide déjà partiellement refroidi sont les plus faibles.Ce n'est qu'avec une telle utilisation que l'on obtient l'effet désiré avec le maximum d'efficacité, ainsi que l'on pourra s'en rendre compte avec le calcul ci-dessous, présenté à titre d'exemple. Ibur une meilleure compréhension de l'invention, on ne présente pour cet exemple qu'un calcul simplifié, qui de ce fait n'est valable en principe que pour les premières rangées du faisceau tubulaire, mais qui représente néanmoins déjà une très bonne approximation pour l'ensemble du faisceau tubulaire. Dans le cas où la température de l'air de refroidissement, à l'entrée de l'échangeur de chaleur, est constante, on peut écrire pour le transfert de chaleur Degré d'utilisation de la température = 1 où e est le coefficient d'échange de la chaleur. Les formules explicites sont respectivement où twl = température de l'eau à l'entrée tw2 = température de l'eau à la sortie tL = température de l'air et # = k . A c . M où k = Coefficient de transmission de la chaleur A = Surface de transmission de la chaleur c = Chaleur spécifique du fluide à réfrigérer M = Débit massique du fluide à réfrigérer La chaleur à évacuer est donnée par la relation q = c M (twl - tw2) = c M . L tw Elle a la même valeur dans les deux cas qui ont été traités. Pour le calcul numérique on a admis pour les différentes grandeurs les valeurs habituelles ci-dessous # = 1,6 t L= 300C humidité relative = 0,6 tw= 200 Avec la méthode de réfrigération classique, avec l'air ambiant utilisé de la manière habituelle sans réfrigération complémentaire on a # = 1 - e-# = 0,8 et tw1 = tL + #tw/# = 55 C A titre d'exemple, supposons qu'un quart de la surface d'échange totale est maintenant balayée avec de l'air préréfrigéré à tLw = 240C. Ceci correspond à de l'air à 300C avec une humidité relative t= 0,6, saturé par addition d'eau. La première partie, la plus importante, de la réfrigération s'effectue dans les trois premiers quarts de la surface de transmission de la chaleur. 3/4 # = 1,2 ; = 1 - e-# = 0 7 Pour la partie ultérieure, plus petite, du refroidissement avec un quart de la surface de transmission de la chaleur on peut écrire 1/4 # = 0,4 ; E= 0,33 Afin de toujours évacuer la même quantité de chaleur, la différence de température demeure inchangée = = twl - tw2 = 200C Les températures du fluide à réfrigérer se calculent alors à partir des relations tw2 = twî - ttw = 52,55 - 20 = 32,550C La différence de température entre le fluide réfrigéré avec la méthode de réfrigération classique et avec l'utilisation de la réfrigération partielle complémentaire s'élève à 35 -32,55 = 2,450C Cette différence de température se répercute directement sur la température de l'eau condensée. L'effet obtenu avec la mise en oeuvre de la mesure selon l'invention peut aussi s'exprimer en d'autres termes : comme dans le domaine habituel des pressions, une différence de température de 10C se traduit, selon la valeur de l'écart total entre les températures par une axélioration de rendement de 0,4 à 0,7%, les 2,450C correspondent à une économie de 1 à 1,5% sur la consommation de chaleur. Dans le diagramme de la figure 5 on a illustré qualitativement l'effet obtenu avec l'invention. En abscisses on a porté la surface d'échange A mise en jeu et en ordonnées la température t. Les lignes repérées tL et tLI, disposées parallèlement à l'axe des abscisses, indiquent les températures de l'air, les courbes repérées K et E représentent l'évolution de la température du fluide à réfrigérer, le long du parcours de réfrigération. La courbe K, qui correspond à la méthode de refroidissement ù classique est disposée plus haut, la courbe E qui correspond à l'exemple de calcul ci-dessus est tracée en dessous. Elle présente une discontinuité au point d'intervention de la réfrigération complémentaire.Le repère tK désigne les températures respectives de l'eau de condensation pour les deux cas (K) et (E) ; elles se situent aux niveaux respectifs de latempérature d'entrée de l'eau twlt majorés de la chute de température d'échan gedans le condenseur. Au sujet du fonctionnement du dispositif, il faudrait mentionner que celui-ci peut aussi fonctionner sans réfrigération complémentaire, au cas où celle-ci apparaîtrait comme n'étant pas nécessaire soit en raison de la charge de l'installation ou bien avec des températures d'air suffisamment basses. Si contrairement à ce qui précède, on voulait (méthode déjà connue) refroidir par humidification la totalité du débit d'air de refroidissement, il en résulterait un certain nombre d'inconvénients - pour obtenir le même effet de réfrigération, la quantité d'eau nécessaire serait approximativement deux fois plus grande ; - si l'on utilisait le meme débit d'eau, l'effet réfrigérant obtenu se trouverait réduit approximativement de moitié ; - une solution technique assurant une humidification uniforme de toute la surface de la tour de réfrigération n'est guère réalisable ; - les investissements pour l'installation d'humidification représenteraient un multiple de ceux qui sont nécessaires avec l'invention. La figure 6 représente une disposition de faisceaux tubulaires, où de même que dans l'exécution selon la figure 3 les tubes réfrigérants sont disposés verticalement et forment également à la périphérie de la tour des groupes séparés b avec une disposition à deux flux al et a". La disposition des faisceaux n'est pas à proprement parler tangentielle, mais dans le sens tangentiel ils sont bien disposés côte à côte, les flux a' ou les flux a" de deux faisceaux adjacents étant orientés l'un vers l'autre. Par rapport à la disposition des faisceaux selon la figure 3, cette configuration présente une surface plus grande à l'air incident. Dans les figures 7 et 8 on a représenté une disposition horizontale à simple flux des faisceaux tubulaires. Avec l'exemple choisi, le fluide à réfrigérer parcourt les faisceaux tubulaires disposés radialement de l'extérieur vers l'intérieur. Avec cette disposition, pour la partie où s'effectue la réfrigération complémentaire, on supprime les parois latérales 11 et la "couverture" 12 du dispositif de guidage 10 se compose de deux anneaux circulaires. Il est évident qu'avec une telle configuration on pourrait également imaginer une disposition à deux flux, où la partie soumise au refroidissement complémentaire serait pourvue, de même que dans la figure 4, de dispositifs de guidage en forme de chambres, disposés tout autour de la oériphérie. Selon le sens d'écoulement du fluide à réfrigérer, les dispositifs de guidage pourraient être installés sur la périphérie intérieure ou sur la périphérie extérieure des flux disposés radialement. De même, des dispositions de faisceaux tubulaires qui ne seraient oas Durement radiales ou purement horizontales ne tombent-elles pas en dehors du cadre de l'invention. Dans le même esprit, les positions de tubes représentées dans les figures2, 3, et 6 peuvent-elles être réale~ sées avec des structures qui s'ecartent de la position verticale pure. De plus, l'invention n'est pas limitée à ce qui est représenté ou décrit ci-dessus. C'est ainsi que le condenseur de l'extrémité froide de la turbine, qui dans la configuration représentée est un condenseur par surface, pourrait également etre un condenseur à mélange. Le fluide à refroidir serait constitué dans un tel cas non par l'eau de refroidissement du condenseur, mais par un mélange d'eau de condensation et d'eau de refroidissement. De même, l'échangeur de chaleur par surface, où s'effectue la réfrigération en deux étages, pourrait-il être un véritable système de tours de réfrigération. Ce système pourrait, par exemple, être constitué par une première tour de réfrigération sèche où s'effectuerait la plus grande partie de la réfrigération correspondant au domaine des températures les plus élevées du fluide à réfrigérer, puis d'une deuxième tour de réfrigération plus petite pour la partie restante de la réfrigération. Le mode d'exploitation d'un tel système Bourrait consister judicieusement à ne mettre en service la petite unité de réfrigération que pour les pointes de charge ou de température. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour la réfrigération dans un échangeur de chaleur par surface d'un fluide circulant dans un circuit fermé, le processus de réfrigération s'effectuant en deux étages avec utilisation exclusive de l'air ambiant comme fluide réfrigérant, caractérisé par le fait que dans un premier étage s'effectue la partie la plus grande de la réfrigération, avec de l'air ambiant non traité et que dans un deuxième étage s'effectue la partie restante du refroidissement, plus petite, avec de l'air ambiant ayant subi une réfrigération préalable. 2. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur par surface est une tour de réfrigération sèche, où les tubes qui constituent la surface d'échange de la chaleur sont disposés de manière telle, que vus dans le sens de circulation du fluide à refroidir ils sont d'abord balayés par de l'air ambiant non réfrigéré et que c'est seulement à l'extrémité froide des surfaces d'échange de la chaleur qu'ils sont balayés par de l'air ai- biant préréfrigéré. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la partie de l'échangeur de chaleur par surface qui est traversée par de l'air ambiant préréfrigéré représente au moins un huitième de la surface d'échange totale. 4. - Dispositif selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caracté- risé par le fait que la partie de l'échangeur de chaleur par surface qui est traversée par de l'air ambiant préréfrigéré est séparée de la partie restante au moyen d'un dispositif de guidage ayant la forme d'un capotage et que dans ce dispositif de guidage, l'air ambiant qui le traverse est réfrigéré d'une manière connue, par exemple par évaporation. 5. - Dispositif selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les tubes qui constituent les surfaces d'échange de la chaleur sont disposés verticalement ou à peu près verticalement en formont un dispositif à deux flux, à la périphérie de la tour de réfrigération, les deux flux correspondant à un même sens d'écoulement étant placés côte à côte dans le sens tangentiel et constituant des groupes séparés. 6. - Dispositif selon.l'ensemble des reyendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les tubes qui constituent les surfaces d'échange de la chaleur sont disposés horizontalement ou à peu près horizontalement, et qu'ils peuvent être balayés du bas vers le haut par l'air ambiant qui s'é- coule autour d'eux. 7. - Application du procédé selon la revendication 1 et du dispositif selon la revendication 2, pour la réfrigération en circuit fermé de l'eau de refroidissement du condenseur dons les centrales thermiques.