Brevet FR2485713A1 — publié le 19811231

L'invention concerne un procédé pour stabiliser l'écoulement marginal dans une tour de refroidissement, comportant une section d'écoulement convergente à sa par- tie inférieure, suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement, et divergente à sa partie supérieure, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans le cas des tours de refroidissement tra- vaillant avec un tirage naturel, il peut se produire, dans des conditions atmosphériques déterminées et dans certaines conditions de fonctionnement, des conditions instables d'écoulement présentes au niveau de la sortie de l'air de refroidissement hors de la tour de refroidis- sement et qui conduisent à des irruptions d'air froid dans la partie supérieure de la tour de refroidissement et par conséquent à une réduction du rendement de cette dernière. Afin d'éviter ces inconvénients, la littérature a fait connaître depuis longtemps différentes propositions. L'une de celles-ci prévoit d'utiliser, à la place d'une tour hyperbolique de refroidissement comportant une zone de sortie divergente, une tour de refroidissement dont la zone de sortie se rétrécit afin d'obtenir une réduction de la section transversale de l'écoulement, de manière à écarter de la tour de refroidissement l'air-froid malgré son poids spécifique élevé, sous l'effet de l'accéléra- tion de l'air froid échauffé qui est liée à cette réduction de section transversale. D'autres propositions concernent la déviation et l'utilisation du vent latéral pour ac- croître l'action de tirage de la tour de refroidissement, ainsi que l'aménagement d'ouvertures latérales, devant être ouvertes ou fermées en fonction de la direction du vent, dans la zone de l'embouchure de la tour de refroi- dissement. Non seulement ces propositions connues ont pour inconvénient d'être inappropriées à un montage ultérieur dans les tours de refroidissement existantes, mais elles nécessitent également, par rapport aux tours hyperboliques de refroidissement connues, une dépense plus importante du point de vue construction, qui annihile en outre au moins partiellement, du point de vue économique, des améliorations éventuellement obtenues du rendement de la tour de refroidissement. La présente invention a pour but d'indiquer un procédé et un dispositif permettant de stabiliser l'écoulement marginal dans une tour de refroidissement comportant une section d'écoulement convergente à sa par- tie inférieure suivant la direction de l'écoulement de l'air de refroidissement et divergente à sa partie supé- rieure, et qui peuvent être utilisés aussi bien dans le cas de nouvelles tours de refroidissement devant être érigées que dans le cas de tours de refroidissement exis- tantes, et d'obtenir, moyennant une dépense réduite du point de vue technique et financier, une amélioration im- portante du rendement dans tous les états de fonctionne- ment de la tour de refroidissement. L'invention part du fait connu selon lequel les irruptions d'air froid, réduisant le rendement d'une tour de refroidissement, sont la conséquence d'un dé- collement de l'écoulement au niveau de la paroi intérieure de la tour de refroidissement, de tels décollements de l'écoulement pouvant se produire lorsqu'il apparait si- multanément dans l'écoulemient un frottement et un accrois- sement de pression. Etant donné que l'écoulement ascendant de l'air de refroidissement est freiné par frottement au niveau de la paroi intérieure de la tour de refroi- dissement, il apparaît une couche limite d'écoulement dont l'épaisseur augmente au fur et à mesure qu'augmente la longueur de déplacement de l'écoulement le long de la paroi. Les parties de l'écoulement proches de la paroi perdent donc de plus en plus de l'énergie, de sorte qu'elles peuvent être aisément écartées de la paroi par une perturbation produite par exemple par un accroisse- ment de la pression, des arêtes perturbatrices ou des bulles d'air froid, ce qui a pour effet que notamment des bulles d'air froid ont la possibilité de pénétrer jusqu'au point de décollement de la couche limite d'écou- lement dans la tour de refroidissement. Afin de réduire l'action du frottement de la paroi sur.lacouche limite d'écoulement de l'air de re- froidissement et d'éviter par conséquent l'une des condi- tions. préalables contribuant au décollement de l'écoule- ment par rapport à la paroi, il est proposé conformément à l'invention, pour résoudre le problème posé précédem- ment, d'envoyer à la couche limite d'écoulement de l'air de refroidissement située au niveau de la surface inté- rieure de la paroi de la tour de refroidissement, grâce à des corps d'insertion produisant des tourbillons et disposés dans la zone o l'écoulement possède sa section transversale la plus étroite, de l'énergie provenant de l'écoulement non influencé par le frottement sur la paroi et situé dans la zone centrale de la tour de refroidisse- ment. Grâce à un tel apport d'énergie à la couche limite d'écoulement à partir de l'écoulement sain, c'est-à- dire non influencé par le frottement de.la paroi et situé dans la zone centrale de la tour de refroidissement, con- formément à l'inventionla couche limite est à nouveau à même de vaincre des perturbations extérieures, notam- ment de suivre un accroissement de la pression sans décollement de l'écoulement et, sous l'effet d'impulsions propres, de rejeter vers le haut des particules d'air froid. La réduction de l'action du frottement de la cou- che limite d'écoulement grâce à l'échange d'énergie, conforme à l'invention, à l'intérieur de la tour de refroidissement stabilise par conséquent l'écoulement mar- ginal dans une tour hyperbolique de refroidissement, de sorte que l'action de diffuseur de cette tour, provoquée par la couronne divergente de cette dernière, peut être pleinement utilisée avec pour objectif de réduire l'im- pulsion de sortie qui est plus faible en raison de la vi- tesse plus faible de l'écoulement. Simultanémentle con- tour de la tour de refroidissement peut être optimisé dans les limites prédéterminées du point de vue techni- que, selon des points de vue purement statiques, ce qui permet de réaliser la tour hyperbolique de refroidissement avec un type de constitution encore plus léger et par conséquent moins onéreux que d'autres formes de la coque de la tour de refroidissement. Selon une autre caractéristique du procédé conforme à l'invention, les arêtes des corps d'insertion créent des tourbillons se propageant suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement et comportant des composantes d'écoulement marquées, transversalement par rapport à la direction d'écoulement de l'air de re- froidissement. De ce fait, les particules d'air pauvres en énergie sont écartées de la paroi de la tour de refroi- dissement et sont remplacées par des particules d'air ri- ches en énergie provenant de l'écoulement central de la tour de refroidissement, de sorte que la couche limite d'écoulement reçoit une énergie suffisante pour suivre un accroissement de pression, c'est-à-dire un retard d'é- coulement sans décollement par rapport à la paroi. Etant donné que le corps d'insertion selon l'in- vention ne sert pas de surface directrice d'écoulement pour l'air de refroidissement, mais produit des tourbillons par ses arêtes, la résistance hydraulique du corps d'in- sertion est faible au point d'être négligeable, et ce pas uniquement par rapport à la résistance globale des dispositifs d'échange de chaleur montés dans la tour de refroidissement. Ceci résulte du fait que l'étendue des surfaces produisant des tourbillons est faible par rapport à la section transversale de l'écoulement dans la tour de refroidissement et délivre simplement une impulsion tourbillonnaire à l'écoulement de l'air de refroidissement. Le dispositif conforme à l'invention pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention utilise au moins un corps d'insertion disposé suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement échauffé, en aval des dispositifs d'échange de chaleur de la tour de refroidissement. Ce corps d'insertion est disposé, confor- mément à l'invention, dans la zone o la tour de refroi- dissement possède sa section transversale d'écoulement la plus étroite, ainsi qu'a proximité de la paroi de la tour de refroidissement, de sorte que la couche limite d'écoulement est enrichie du point de vue énergétique dans la partie supérieure de la tour de refroidissement, dans laquelle la section transversale de l'écoulement augmente et par conséquent est protégée vis-à-vis de décollements par rapport à la paroi. Les corps d'insertion conformes à l'invention peuvent être adaptés de façon optimale conformément à la conception technique et à la constitution de la tour de refroidissement, et ce du point de vue de leur taille, de leur nombre, de leur géométrie et de leur position d'insertion. Dans le cas le plus simple, le corps d'inser- tion est réalisé sous la forme d'un anneau disposé con- centriquement par rapport à la paroi de la tour de refroi- dissement, de préférence avec une section transversale circulaire. Au lieu d'un anneau fermé, on peut disposer, conformément à l'invention, également plusieurs corps d'insertion individuels en anneau,c'est-à-dire sur un anneau imaginaire situé à l'intérieur de la tour de re- froidissement. Dans une forme de réalisation préférée de l'in- vention, chaque corps d'insertion est réalisé sous la forme d'un triangle, dont la pointe est dirigée en sens opposé à la direction d'écoulement de l'air de refroi- dissement, et est disposé en formant un angle aigu par rapport à la direction d'écoulement de l'air de refroi- dissement. On obtient de ce fait une disposition des arêtes qui comporte aussi bien une composante dirigée suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidisse- ment qu'une composante s'étendant transversalement par rapport à cette dernière, et qui produit, lors de l'ar- rivée de l'écoulement d'air froid sur l'arête, de forts tourbillons qui se propagent suivant la direction d'écou- lement de l'air de refroidissement et possèdent des composantes d'écoulement marquées transversalement par rapport à la direction d'écoulement de l'air de refroi- dissement, ce qui a pour effet que des particules d'air pauvres en énergie sont écartées de la paroi et sont remplacées par des particules d'air riches en énergie provenant de l'écoulement central de la tour de refroi- dissement. Les corps d'insertion en forme de triangles peuvent être disposés soit radialement, soit tangentielle- ment dans la tour de refroidissement. Il est en outre pos- sible de loger des corps d'insertion en forme de trian- gles sur plusieurs rangées, et ce d'une manière décalée en hauteur ou bien dans le plan en coupe transversale, dans la tour de refroidissement, et enfin il est égale- ment possible de modifier la position et l'orientation des corps d'insertion en fonction de l'état de fonctionne- ment de la tour de refroidissement. Sur les figures, on a représenté différents exemples de réalisation de l'objet de l'invention, à l'aide desquels on va expliquer le procédé conforme à l'invention. La figure 1 montre une coupe partielle d'une tour hyperbolique de refroidissement comportant un corps d'insertion disposé dans la section transversale d'écou- lement la plus étroite; - la figure 2 est une vue en élévation latérale schématique d'une tour de refroidissement possédant des corps d'insertion d'une première forme de réalisation; - la figure 3 montre une vue en plan d'une moitié de la tour de refroidissement de la figure 2; - la figure 4 représente un diagramme de la distribution de la température au niveau de l'embouchure de la tour de refroidissement de la figure 2 sans corps d'insertion; - la figure 5 représente un diagramme, corres- pondant à celui de la figure 4, pour une tour de refroi- dissement comportant les corps d'insertion représentés sur les figures 2 et 3; - la figure 6 montre une vue en élévation la- térale, correspondant à celle de la figure 2, d'une tour de refroidissement, avec une seconde disposition possible des corps d'insertion; - la figure 7 représente une vue.en plan d'en- viron une moitié de la tour de refroidissement de la figure 6 - la figure 8 représente une vue en élévation latérale d'une tour de refroidissement comportant des corps d'insertion étagés en hauteur; - la figure 9 représente une vue en élévation latérale d'une autre tour de refroidissement comportant des corps d'insertion échelonnés dans un plan en coupe transversale; - la figure 10 montre une vue de dessus d'une moitié de la tour de refroidissement de la figure 9; - la figure il représente une vue en élévation latérale d'une tour de refroidissement avec des corps d'insertion selon une autre forme de réalisation possi- ble; et - la figure 12 représente une vue en plan d'une moitié de la tour de refroidissement de la figure 11. La section partielle, représentée sur la fi- gure 1, de la partie supérieure d'une tour hyperbolique de refroidissement montre une paroi 1 de cette tour, qui converge suivant la direction de l'écoulement de l'air de refroidissement jusqu'à une section transversale 2 de rétrécissement maximum, et diverge ensuite à la manière d'un diffuseur. L'écoulement ascendant de l'air de re- froidissement est freiné par frottement sur la face inté- rieure de la paroi l de la tour de refroidissement, de sorte que l'on obtient sur la section transversale de l'écoulement dans la tour de refroidissement, une allure des vitesses pour l'air de refroidissement, du type in- diqué au-dessous de la section transversale 2 de rétrécis- sement maximum. On peut voir parfaitement que la vitesse au niveau de la face intérieure de la paroi l de la tour de refroidissement est nulle. Afin de s'opposer à un renforcement de cette couche limite d'écoulement dont l'épaisseur augmente au fur et à mesure qu'agmente la longueur de déplacement de l'écoulement le long de la paroi i de la tour de refroidissement, et d'empêcher un décollement des sections transversales d'écoulement par rapport à la paroi 1 de la tour de refroidissement, conformément à la figure 1 on dispose, dans la zone de la section transversale d'écoulement 2 la plus rétrécie, un corps d'insertion 3 qui est réalisé sous la forme d'un triangle dont une pointe est dirigée à l'opposé de la direction d'écoule- ment de l'air de refroidissement et qui est orienté en faisant un angle aigu par rapport à cette direction d'é- coulement de l'air de refroidissement. De ce fait, on obtient une disposition des arêtes du corps d'insertion 3 en forme de triangle, qui comporte aussi bien une composante s'étendant suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement qu'une composante s'étendant transversalement par rapport à la direction précédente. Cette disposition des arêtes produit un fort tourbillon 4 se propageant suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement et qui possède des composantes marquées d'écoulement transversalement par rapport à la direction d'écoulement de l'air de refroidissement et évacue des particules d'air pauvres en énergie en les écartant de la paroi 1 de la tour de refroidissement et les remplace par des particules d'air riches en énergie provenant de l'écoulement situé au centre de la tour de refroidissement. De ce fait, de l'énergie provenant de l'écoulement non influencé par le frottement sur la paroi et situé dans la zone centrale de la tour de re- froidissement est envoyée à la couche limite d'écoulement au niveau de la surface intérieure de la paroi 1 de la tour de refroidissement. La distribution de vitesses représentée au-dessus du tourbillon 4 sur la figure 1 montre par conséquent que, également dans la zone de la couchelimite d'écoulement et directement contre la paroi 1 de la tour de refroidissement, il existe une vi- tesse ascendante définie, de sorte que la couche limite d'écoulement et les couches proches de la paroi sont à nouveau à même te vaincre des perturbations extérieures. En particulier, elles peuvent suivre un accroissement de pression sans décollement par rapport à la paroi 1 de la tour de refroidissement et écarter des particules d'air froid, sous l'effet d'impulsions propres. Dans le cas de la tour de refroidissement représentée sur les figures 2 et 3, un ensemble de douze corps d'insertion 3 en forme de triangles est disposé dans la zone de la section transversale 2 la plus ré- trécie à proximité de la paroi 1 de la tour de refroi- dissement, et ce avec une orientation tangentielle, comme le montre notamment la vue en plan de la figure 3. L'action de ces corps d'insertion 3 a été explicitée précédemment en référence à la figure 1. La figure 4 montre un diagramme, sur lequel on a représenté la différence de température entre l'air de refroidissement situé à l'intérieur de la tour de refroidissement et l'air extérieur situé dans la zone de sortie de la tour de refroidissement en fonction du diamètre d de la tour de refroidissement des figures 2 et 3 et cesans corps d'insertion 3. Le diagramme de la figure 4 présente, sur le côté droit de la tour de re- froidissement, une irruption d'air froid. Une telle irruption d'air froid est empêchée par les corps à inser- tion 3 présentés sur les figures 2 et 3, comme le montre le diagramme de la figure 5. Ce diagramme, de même que le diagramme de la figure 4, a été obtenu au moyen d'un essai-type lors duquel on a mesuré la distribution de température au niveau de l'embouchure de la tour de re- froidissement. Par conséquent, les corps d'insertion 3 empêchent, par suite d'un enrichissement en énergie de la couche limite d'écoulement, l'apparition d'irruptions d'air froid, comme cela est exprimé par la distribution uniformisée des températures sur l'ensemble de la section transversale de l'écoulement dans la zone de l'embouchure de la tour de refroidissement, conformément à la figure 5. Au lieu de disposer tangentiellement les corps d'insertion 3 conformément aux figures 2 et 3, on peut également disposer radialement les corps d'insertion 3 en forme de triangles dans la tour de refroidissement, comme le montrent les figures 6 et 7. En outre, confor- mément à la figure 8, il est possible de disposer des corps d'insertion 3 alignés tangentiellement, en les étageant en hauteur dans la tour de refroidissement. Les figures 9 et 10 montrent un échelonnement des corps d'in- sertion 5 en forme de triangles dans un plan de coupe transversale. Enfin, l'exemple de réalisation des figures il et 12 montre une tour hyperbolique de refroidissement, dans laquelle on a disposé un corps d'insertion réalisé en forme de tore 6 au niveau de la section transversale la plus rétrécie 2 d'écoulement de cette tour. De même, ce tore 6 disposé concentriquement par rapport à la paroi 1 de la tour de refroidissement produit des tour- billons qui apportent de l'énergie, provenant de l'écou- lement non influencé par le frottement sur la paroi et situé dans la zone centrale de la tour de refroidissement, à la couche limite d'écoulement de l'air de refroidisse- ment au niveau de la surface intérieure de la paroi 1 de cette dernière, et réalisent par conséquent une sta- bilisation de l'écoulement marginal dans la tour de re- froidissement. REVENDICATIONS 1. Procédé pour stabiliser l'écoulement margi- nal dans une tour de refroidissement comportant une section transversale d'écoulement convergente à sa par- tie inférieure suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement et divergente à sa partie supérieure, caractérisé en ce que des corps d'insertion produisant des tourbillons et disposés au niveau de la section trans- versale d'écoulement la plus rétrécie envoient à la couche limite d'écoulement de l'air de refroidissement au niveau de la surface intérieure de la paroi de la tour de refroidissement, de l'énergie provenant de l'écoule- ment non influencé par le frottement sur la paroi et situé dans la zone centrale de la tour de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que des tourbillons se propageant suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement et pos- sédant des composantes d'écoulement marquées transversa- lement par rapport à la direction d'écoulement de l'air de refroidissement sont produits par les arêtes des corps d'insertion. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'une des revendications 1 et 2, comportant au moins un corps d'insertion disposé suivant la direction d'écoulement de l'air de refroidissement échauffé, en aval des dispositifs d'échange thermique de la tour de refroidissement, caractérisé en ce que le corps d'inser- tion (3, 5, 6) est disposé dans la zone de la section transversale d'écoulement (2) la plus rétrécie de la tour de refroidissement ainsi qu'à proximité de la paroi (1)- de cette tour. 4. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le corps d'insertion est réalisé sous la forme d'un anneau (6) disposé concentriquement par rapport à la paroi (1) de la tour de refroidissement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'anneau est réalisé sous la forme d'un tore (6). 6. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que plusieurs corps d'insertion individuels (3, 5) sont disposés en anneau. 7. Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que chaque corps d'insertion (3,5) est constitué sous la forme d'un triangle dont une pointe est dirigée en sens opposé de la direction d'écoulement de l'air de refroidissement, et qui est orienté en faisant un angle aigu par rapport à la direction d'écoulement de cet air. 8. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les corps d'insertion (5) en forme de triangles sont disposés radialement dans la tour de re- froidissement. 9. Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les corps d'insertion (3) en forme de triangles sont disposés tangentiellement dans la tour de refroidissement. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les corps d'insertion (3, 5) en forme de triangles sont disposés suivant plusieurs rangées et en étant décalés en hauteur ou bien dans un plan de coupe transversale dans la tour de refroidisse- ment.