Brevet FR2459953A1 — publié le 19810116

1. L'invention se rapporte à un procédé de mélange de courants d'air différents, en particulier sec et humide, dans une tour de refroidissement ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le mélange de courants d'air différents sur des trajets courts et avec une résistance à la circulation la plus faible possible est important non seulement dans les tours de refroidissement par voies humide et sèche, pour éviter la formation de buées, mais aussi lorsque les diffé- rences de température et/ou de composition chimique des courants partiels diffèrent. Les procédés et dispositifs connus ont l'inconvénient que d'une part ils ont une structure très compliquée et, d'autre part, qu'ils sont la cause d'une résistance relativement forte à l'écoulement. L'invention a pour objets un procédé et un dispo- sitif de mélange de courants d'air différents permettant par des moyens simples un mélange efficace et avec peu de pertes sur un trajet court. Selon une particularité essentielle du procédé de l'invention, il consiste essentiellement à produire des champs tourbillonnaires au moyen d'au moins un corps cylin- drique balayé par la circulation et disposé transversalement à l'écoulement de l'un des courants d'air (le courant princi- pal) à l'intérieur de la tour de refroidissement, les compo- santes transversales des champs tourbillonnaires produits par détachement de la circulation sur les côtés de ce corps provoquant un mélange intensif des courants d'air différents. Le corps cylindrique balayé par le courant d'air principal transversalement à la direction de la circulation provoque sur ses deux côtés un détachement de la circulation qui se met à tourner en créant des tourbillons. Ces détache- ments de tourbillons peuvent se produire plus ou moins en alternance et irrégulièrement en fonction du nombre de Reynolds et du profil du corps. Dans tous les cas, les axes des tourbillons de la circulation aval sont parallèles ou approximativement parallèles à l'axe du corps balayé par la circulation et les composantes de cette circulation transver- salement par rapport à la direction de la circulation 2. principale sont fortes. Ces composantes transversales provo- quent un mélange intensif des courants d'air différents sans créer de grandes pertes dans l'écoulement. Le mélange est bon même sur une distance relativement courte. Bien qu'un corps balayé par la circulation et ayant un profil cylindrique à base circulaire donne un mélange particulièrement favorable, la section transversale du corps cylindrique peut aussi être différente d'un cercle et être par exemple elliptique, rectangulaire ou triangu- laire. Il faut entendre conformément à l'invention par le terme "cylindrique" un corps ayant deux surfaces géométri- quement identiques, planes et parallèles et reliées par une enveloppe formée d'une droite translatée le long du bord des surfaces de base de manière qu'elle conserve la même orien- tation dans l'espace. Le corps selon l'invention qui est balayé par la circulation peut aussi être disposé sous un certain angle par rapport à la direction principale de cette circulation. En particulier lorsque les tours de refroidis- sement par voies sèche et humide ont de grandes dimensions, il est avantageux que les champs tourbillonnaires soient produits, suivant une autre particularité avantageuse de l'invention, par plusieurs corps cylindriques balayés par la circulation et répartis régulièrement à la circonférence de la tour en partant radialement de la surface de cette dernière. Dans ce cas, le mélange obtenu est bon même sur un trajet extrêmement court qui ne correspond approximativement qu'à un quart du diamètre de la tour. Les corps balayés par la circulation ne doivent pas nécessairement être des pièces solides,, par exemple des tubes. Ils peuvent aussi être formés par des tubes sans cloison solide, c'est-à-dire par des jets d'air. Il est aussi possible de combiner des pièces solides et des éléments formés d'une circulation. Donc, selon une autre particularité avantageuse du procédé de l'invention, les corps cylindriques balayés par la circulation sont formés au moins en partie par un jet libre. Ce jet libre peut être produit par un tiers fluide, par exemple un complément d'air ou, en variante, 3. suivant une autre particularité de l'invention, par des courants partiels de l'un des courants d'air devant être mélangés, le second courant d'air pouvant avantageusement être utilisé lui-même pour la création du corps conforme à l'invention et balayé par la circulation. Selon une particularité essentielle du dispo- sitif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, plusieurs tubes d'admission d'air, dont chacun est destiné à diriger radialement à l'intérieur de la tour de refroidis- sement un courant partiel de l'air devant être mélangé avec le courant principal, sont répartis à la circonférence de la paroi de cette tour. Ces tubes d'admission d'air sont de préférence répartis régulièrement à la circonférence, mais leur distribution peut aussi être différente dans certaines limites. Par ailleurs, ces tubes peuvent avoir des longueurs différentes. Lorsque le courant d'air devant être introduit dans le courant principal ne peut pas être produit par tirage naturel, il est possible, suivant une autre particularité avantageuse de l'invention, de monter au moins un ventilateur dans les tubes d'admission d'air. Suivant un mode de réalisation avantageux du dispositif de l'invention destiné à une tour de refroidis- sement par voies humide et sèche, les tubes d'admission d'air sont disposés au-dessus des éléments rapportés à l'intérieur de la tour et sur lesquels a lieu le ruissellement. La longueur des tubes d'admission d'air dans la direction radiale correspond suivant une autre particularité de l'invention approximativement à 20 à 40 % du rayon de la tour, de manière qu'une partie des corps. balayés par la circulation soit formée par les jets d'air libre émergeant de ces tubes et s'infléchissant dans la direction principale d'écoulement en fonction des conditions particulières. La circulation aval résultant de cet infléchissement des jets comprend aussi de fortes composantes transversales qui ont pour effet un mélange avec peu de pertes sur un trajet court de circulation. Le rapport de la longueur des tubes d'admission d'air à leur diamètre est compris conformément à l'invention entre 1,5 et 4. 4. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale schémati- que d'un premier mode de réalisation d'un radiateur à cellules; - la figure 2 est une vue en plan du radiateur de la figure 1; - la figure 3 est une coupe verticale partielle schématique d'une variante de réalisation consistant en une tour de refroidissement par voies humide et sèche; - la figure 4 est une élévation schématique d'une tour de refroidissement qui est également à voies humide et sèche; - la figure 5 est une vue en plan schématique de la tour de refroidissement de la figure 4; et - la figure 6 est un graphique donnant des résul- tats de mesure du mélange dans le plan M des deux courants partiels de la tour de refroidissement des figures 4 et 5, d'une part en l'absence des tubes d'admission d'air conformes à l'invention et d'autre part en présence de ces tubes. Le radiateur à cellules représenté schémati- quement sur les figures 1 et 2 comprend une enveloppe 1 à la partie inférieure de laquelle sont disposées des pièces rapportées 2 sur lesquelles le ruissellement a lieu. De l'eau refroidie par un courant d'air Li est projetée par le haut sur ces éléments rapportés 2 au moyen d'un dispositif de distribution non représenté. Ce courant d'air L1 pénètre dans l'exemple représenté de réalisation sous les éléments rapportés 2 à ruissellement par un côté dans l'enveloppe 1 à base carrée du radiateur à cellules, de la manière représen- tée par les deux flèches inférieures sur la figure 1. Une surface 3 d'échange de chaleur par laquelle un courant d'air L est envoyé est disposée au-dessus de l'orifice d'admission du courant d'air L1 dans l'enveloppe 1 afin de mélanger l'air humide qui remonte des éléments rapportés à ruissellement 2 avec un second courant d'air réchauffé et sec L2. Ce courant d'air L2 est ainsi réchauffé et l'échange indirect de chaleur abaisse également l'humidité relative de ce courant L2. 5. Comme le montrent les flèches sur la figure 1, les courants d'air Li et L2 se mélangent au-dessus des éléments rapportés à ruissellement 2 et derrière la surface d'échange de chaleur 3 à l'intérieur de l'enveloppe 1 avant de quitter celle-ci par un élargissement conique la. Une ligne brisée indique, sur la figure 1, une interface G qui se produirait dans les conditions représentées entre les courants d'air L1 et L2 si aucune disposition n'était prise à l'intérieur de l'enveloppe 1 pour mélanger ces deux courants. Toutefois, comme le montrent les figures 1 et 2, un corps cylindrique 4 disposé au niveau de cette interface G et balayé par la circulation a un profil représenté en coupe transversale sur la figure 1 et en vue en plan sur la figure 2. Ce corps 4 a une section circulaire dans l'exemple de réalisation représenté, mais il pourrait aussi avoir une section elliptique, rectangulaire, triangulaire ou toute autre section convenable. Le corps cylindrique 4 qui est disposé transver- salement par rapport à la direction de la circulation du courant d'air L1 qui remonte des éléments rapportés 2 sur lesquels a lieu le ruissellement crée des champs tourbil- lonnaires W qui, dans l'exemple représenté de réalisation de la figure 1, sont alternés, ces champs étant dus au détache- ment de la circulation sur les côtés du corps 4. Ces champs tourbillonnaires W ont des composantes importantes transver- salement par rapport à la direction de la circulation principale, aussi bien du courant d'air L1 que du courant L21 ces composantes provoquant un mélange intensif des deux courants d'air L1 et L2 sans provoquer de grandes pertes dans l'écoulement. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le corps 4 balayé par la circulation provoque un mélange avec peu de pertes du courant d'air sec L2 et du courant d'air humide L1 sans provoquer des buées à la sortie du radiateur à cellules par suite de veines locales d'air humide. Il est bien entendu possible de disposer aussi plusieurs corps 4 balayés par la circulation dans le radia- teur à cellules des figures 1 et 2. Dans cet exemple repré- senté de réalisation, un unique corps 4 a été représenté de 6. manière à permettre de représenter clairement l'effet qu'il produit. La variante de réalisation de la figure 3 consiste en une tour de refroidissement à tirage naturel et à voies humide et sèche qui comporte une enveloppe 5 dont la partie supérieure n'est pas représentée. L'enveloppe 5 de la tour a une base circulaire et comporte un rétrécissement conique au moins dans sa partie inférieure. Sa partie supé- rieure non représentée peut former un prolongement conique ou peut aussi être cylindrique ou présenter un élargissement. Les éléments rapportés 6 sur lesquels le ruissellement a lieu et sur lesquels un courant d'air de refroidissement L1 est dirigé par le bas sont aussi disposés à la partie inférieure de l'enveloppe 5 de la tour. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, le courant d'air L1 arrive radia- lement de l'extérieur de la tour sur la totalité de la circonférence du cylindre formant son enveloppe 5. L'air admis se concentre dans la région située sous les éléments rapportés à ruissellement 6, puis le tirage naturel qui se produit dans l'enveloppe 5 de la tour le fait monter, de la manière indiquée par des flèches en traits mixtes. Plusieurs tubes d'admission 7 disposés au-dessus des éléments rapportés à ruissellement 6 pénètrent radiale- ment dans la tour à partir de l'enveloppe 5. Chacun de ces tubes 7 dirige un courant partiel d'un second flux d'air'L2 à l'intérieur de la tour, ce flux d'air L2 balayant au préala- ble une surface 8 d'échange indirect de chaleur qui, dans l'exemple représenté de réalisation, se trouve à l'extérieur de l'enveloppe 5 en étant réparti sur la circonférence de cette dernière. Lorsque le tirage naturel qui se produit dans l'enveloppe 5 ne suffit pas à créer des courants partiels du flux d'air L2, un ventilateur non représenté peut être disposé dans le sens de la circulation devant ou derrière les surfaces 8 d'échange de chaleur. Les tubes d'admission 7 qui pénètrent transver- salement dans le flux d'air L1 orienté verticalement vers le haut ainsi que les jets S émergeant de ces tubes 7 et formés par les courants partiels du flux d'air L2 provoquent sur 7. leurs côtés des détachements du flux d'air L1 qui s'enroulent en formant des tourbillons W. Ces tourbillons W sont irrégu- liers dans l'exemple de réalisation de la figure 3. Leurs axes sont parallèles ou approximativement parallèles à l'axe correspondant du tube 7 d'admission d'air et du jet S émer- geant de ce dernier. Les composantes transversales des tour- billons W provoquent un mélange intensif du flux d'air L2 subdivisé en courants partiels individuels avec le flux d'air L1 qui monte verticalement, qui est chargé d'humidité et qui se mélange ainsi de manière intensive avec le flux d'air sec L2. Comme le montre la figure 3, malgré que les jets S soient déviés dans la direction de circulation principale qui est orientée verticalement vers le haut, ils constituent des corps balayés par la circulation avec pour conséquence dans la circulation aval de fortes composantes qui sont transver- sales par rapport à la direction d'écoulement principal. Les figures 4 à 6 montrent les résultats produits par les corps balayés par la circulation en regard d'un troisième exemple de réalisation. La tour de refroidissement représentée schématiquement sur la figure 4 comprend un élément d'enveloppe 9 qui est cylindrique à base circulaire et qui se prolonge vers le haut en un élément d'enveloppe conique 10. Le flux d'air L1 pénètre radialement à l'inté- rieur de la tour, sur la circonférence totale de cette dernière, au niveau de la partie cylindrique 9 de son enveloppe. Une partie du flux d'air L2 est introduite dans la partie conique 10 de l'enveloppe par au total huit tubes d'admission 11 qui sont répartis régulièrement à la circon- férence de la tour de la manière représentée sur la figure 5. Le flux L1 consiste en air humide, tandis, que le flux L2 consiste en air sec. Les débits des flux d'air L1 et L2 sont les mêmes. Sur le graphique de la figure 6, la concentration de l'air humide du flux L1 sur le diamètre de sortie d de la tour de refroidissement de la figure 4 est portée en ordonnées, le plan de mesure M se trouvant à une distance h au-dessus des tubes d'admission d'air 11, cette distance correspondant à 25 % du diamètre D de la partie cylindrique 9 8. de l'enveloppe de la tour. Le graphique de la figure 6 sur laquelle les mesures ont été portées montre que la mise en oeuvre de tubes d'admission d'air 11 tels que ceux de la figure 5 permet d'obtenir sur la totalité de la surface de sortie de la tour un excellent mélange des deux flux d'air L1 et L2, car la concentration de l'air humide sur le diamètre total de sortie d est légèrement inférieure ou légèrement supérieure à 50 %. La seconde courbe de la figure 6 montre qu'en l'absence des tubes d'admission d'air 11, il se produit au centre de la circulation de sortie un enrichissement à près de 100 % en air humide la zone annulaire de bordure n'ayant par contre qu'une très faible teneur en humidité. Les tubes d'admission d'air 11 disposés de la manière représentée sur la figure 5 provoquent donc un extrêmement bon mélange des deux flux d'air L1 et L2 par les champs tourbillonnaires décrits en regard de la figure 3 sur une distance de circu- lation extrêmement courte qui ne correspond qu'à 25 % du diamètre de la tour de refroidissement. Dans un exemple pratique de réalisation: D = 110 m, d = 100 m, h = 27,5 m, diamètre des tubes d'admission d'air 11 = 7 m et longueur des tubes d'admission d'air 11 = 12 m, huit seulement sur la totalité des trente-deux tubes d'admission d'air sec étant conformés en tubes 11. 9. REVENDICATIONS 1. - Procédé de mélange de courants d'air diffé- rents, en particulier sec et humide, dans une tour de refroi- dissement, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à produire des champs tourbillonnaires, dont les composantes transversales provoquent un mélange intensif des courants d'air différents, au moyen d'au moins un corps cylindrique balayé par la circulation, disposé à l'intérieur de la tour transversalement par rapport à la direction de circulation de l'un des courants d'air (le courant principal) et provoquant ces champs tourbillonnaires par détachement de la circulation sur ses côtés. 2. - Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les champs tourbillonnaires sont créés par plusieurs corps cylindriques balayés par la circulation et répartis sur la circonférence de la tour en partant radia- lement de la paroi de cette dernière. 3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins certains des corps cylin- driques balayés par la circulation sont formés chacun d'un jet libre. 4. - Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les jets libres sont formés par des courants partiels de l'un des courants d'air devant être mélangés. 5. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs tubes d'admission d'air (7) répartis à la circonférence dans la paroi (5) de la tour de refroidissement sont destinés à diriger chacun radialement à l'intérieur de la tour un courant partiel du flux d'air (L2) devant être mélangé avec le courant principal (L1). 6. - Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'au moins un ventilateur est disposé dans chacun des tubes d'admission d'air (7). 7. - Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, destiné à une tour de refroidissement par voies humide et sèche, caractérisé en ce que les tubes d'admission d'air (7) sont disposés audessus des éléments rapportés (6) sur 10. lesquels a lieu le ruissellement et qui sont disposés à l'intérieur de la tour. 8. - Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les tubes d'admission d'air (7) ont une longueur dans la direction radiale qui correspond approxima- tivement à 20 à 40 % du rayon de la tour de refroidissement. 9. - Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le rapport de la longueur des tubes d'admis- sion d'air (7) à leur diamètre est compris entre 1,5 et 4.