Brevet FR2492079A1 — publié le 19820416

L'invention concerne une tour de refroidissement comportant un ventilateur aspirant dans la sortie d'air et des dispositifs incorporés de refroidissement sur lesquels on fait ruisseler l'eau à refroidir et devant lesquels circule l'air aspiré par le ventilateur, qui refroidit l'eau descendant par ruissellement dans un bassin collecteur en étant en contact direct avec elle. On connait une tour de refroidissement de ce type (brevet des EUA 1 929 410), dans laquelle une couronne d'aubes directrices confère une composante giratoire au courant d'air, o un dispositif de captage d'eau sous forme d'un profilé en U inversé coiffe le bord supérieur de la sortie d'air. Ce profilé a pour but de dévier l'eau séparée par-dessus le bord supérieur de la sortie d'air vers l'extérieur pour la faire couler sur la paroi extérieure de la sortie d'air dans les récipients distributeurs d'eau installés au-dessus des dispositifs de refroidissement. On connait en outre une tour de refroidissement du genre indiqué au début, mais ne comportant aucun dispositif incorporé de refroidissement (demande de brevet DE-OS 25 09 339 de la République Fédérale d'Allemagne), o une couronne d'aubes directrices confère également un mouvement hélicoïdal au courant d'air et o une gouttière est prévue dans la région du col (de la partie la plus étroite) de la sortie d'air pour capter l'eau refoulée radialement vers l'exté- rieur par les forces centrifuges issues du courant d'air en hélice. Cette gouttière de captage communique directement avec le bassin collecteur par un tuyau de descente. Ces deux réfrigérants connus sont du type à mouvement hélicoïdal de l'air, dont l'emploi ne peut pas être envisagé pour les tours de refroidissement de la grandeur actuelle en raison de la forte consommation d'énergie nécessaire pour produire le mouvement hélicoïdal. De plus, les deux réfrigérants connus posent un problème dont on ne s'est pas rendu compte jusqu'à présent et qui est d'ailleurs insoluble dans ces constructions, à savoir qu'ils émettent une très forte quantité de germes ou de bactéries. Dans le réfrigé- rant mentionne en premier (brevet des EUA 1 929 410)> l'eau éventuel- lement séparée de l'air de refroidissement échauffé est ramenée aux dispositifs de refroidissement o elle peut s'enrichir davantage de germes. Une protection efficace contre l'émission de germes n'est pas assurée en raison de la nature des écoulements. Dans le réfrigérant mentionné en deuxième (demande de brevet DE-OS 25 09 339 de la République Fédérale d'Allemagne), des gouttelettes relativement grosses (à partir de 20 /um de diamètre), dont on sait par expérience qu'elles sont des porteurs essentiels de germes, ont de fortes chances d'être éliminées du courant d'air par centrifugation dans la région de la sortie d'air. Le problème d'une forte émission de germes ne se pose donc pas tant que le courant d'air de ce réfrigérant a une composante giratoire suffisante. Par contre, en l'absence de cette dernière, il est impossible d'obtenir une séparation efficace de l'eau entraînée par le courant d'air sortant au droit de la gouttière de captage, en raison de la forte dépression régnant à cet endroit. Dans une autre tour de refroidissement connue à venti- lateur aspirant dans la sortie d'air et à dispositifs incorporés de refroidissement sur lesquels ruisselle l'eau à refroidir et devant lesquels circule l'air aspiré par le ventilateur, qui refroidit l'eau descendant par ruissellement dans un bassin collecteur en étant en contact direct avec elle, ainsi qu'avec un séparateur de gouttes prévu en aval des dispositifs incorporés de refroidissement, l'air, auquel le ventilateur confère une vitesse relativement élevée, entraSne des gouttelettes de l'eau de refroidissement chaude qui ruisselle sur les dispositifs de refroidissement. Ces gouttes d'eau de refroidissement sont chargées de germes tels que bactéries, virus et ainsi de suite. L'entraînement à l'extérieur de ces particules de l'eau de refroidissement provoque une pollution indésirable de l'environnement si la concentrationde germes est forte. La figure 1 représente une tour de refroidissement à ventilateur 1 à écoulement transversal de l'air du type décrit en dernier. Cette tour présente des ouvertures d'entrée d'air 2 sur les c8tés et une sortie d'air 3 sous forme d'un diffuseur installé au milieu en haut et dans le col duquel une roue de ventilateur 4 commandée tourne à une vitesse périphérique relativement élevée (jusqu'à 50 m/s aux extrémités des pales). Ce réfrigérant possède en outre une ossature portante comprenant des piliers 6 et des poutres transversales 7. Entre la sortie d'air 3 et au-dessus des dispositifs incorporés de refroidissement 8, sous forme de barres d'égouttage de type connu par exemple, se trouve un dispositif de distribution d'eau 9 qui est alimenté par une conduite montante 10 en eau de refroidissement à refroidir, portée à 450C par exemple dans une centrale électrique. A sa partie inférieure, le réfrigérant présente un bassin collecteur 11 pour l'eau descendant par ruissellement et refroidie par le courant d'air. L'eau refroidie est réintroduite dans le système de refroidissement de la centrale électrique par une conduite 12 pendant le fonctionnement en circuit fermé, tandis que la conduite 12 débite dans une rivière, la mer, etc. en cas de fonctionnement "en rejet". Dans les réfrigérants du type représenté sur la figure 1 sont incorporées habituellement des paregouttes 13, sous forme de lamelles sinusoïdales par exemple, mais qui présentent déjà pour des gouttelettes dont le diamètre d est inférieur à 50 /um un degré de séparation médiocre. Dans la zone de ruissellement du réfrigérant se ftxmentcependant aussi des gouttes dont le diamètre d est inférieur à 50/um et la grosseur des gouttes peut diminuer davantage par évaporation, de sorte qu'un fort pourcentage de telles gouttes peut passer le séparateur de gouttes 13. Des mesures auxquelles a participé l'inventeur ont démontré que le chargement en germes, c'est-à-dire le chargement en bactéries, virus et ainsi de suite, de l'eau de refroidissement sortant sous forme de buées par la sortie d'air est de l'ordre de 100 fois plus élevé par unité de volume que celui de l'eau de refroidissement échauffée entrant dans le réfrigérant. On a mesuré, par exemple, pour de l'ordre de 103 germes/cm3 d'eau dans l'eau de refroidisse- ment entrante, 10 germes/cm3d'eau de refroidissement dans la sortie d'air. L'émission de germes de ce type de réfrigérant est ainsi de 102 à 104 plus élevée pîurJanOme capacité de refroidissement, que celle de tours de refroidissement à tirage naturel par exemple. L'invention vise à réduire autant que possible la quantité d'eau de refroidissement sortant par la sortie d'air et le chargement, en germes de l'eau de refroidissement quittant le réfrigérant, en particulier de l'eau de refroidissement entraTnée à l'extérieur par 1'air issu de la sortie d'air du réfrigérant. Les figures 2 et 3 servent à illustrer les considérations et les explorations de l'inventeur sur une tour de refroidissement à ventilateur du type indiqué au début avant de trouver la solution de ce problème. Comme point de départ, l'inventeur a estimé que la clé de l'explication du phénomène de la forte émission de germes devait être cherchée dans des processus physiques se déroulant à l'intérieur et à la partie supérieure du réfrigérant. Il s'est donc rendu dans cette partie normalement inaccessible, o règne une temDérature et une humidité si fortes que l'homme ne les supporte que peu de temps. L'inventeur y a observé que la portion de paroi de la sortie d'air 3 désignée par 20 sur la figure 2 et située sous la roue de ventilateur 4 porte un film de liquide qui, s'il est suffisamment épais, s'écoule vers le bas (flèche 22). Il peut se former en outre un écoulement en film plus mince à partir de la roue de ventilateur 4 vers le haut le long de la paroi de la sortie d'air 3 (flèche 23 sur figure 2). Le liquide descendant se rassemble sur des arêtes comme celle désignée par 24 et aussi sur des surfaces horizontales comme les dessus 25 des poutres transversales 7, d'o il retomlbe en grosses gouttes de 3 à 5 mm de diamètre dans le courant de buées ascendant (flèche 27). Les gouttes relativement petites sont emportées directement par les buées vers le haut, tandis que les gouttes plus grosses tombent et se divisent en partie au moins en gouttes plus fines en tombant Sur les poutres transversales 7 de l'ossature portante, de sorte qu'elles sont également entraînées de nouveau vers le haut. Le processus observé par l'inventeur est comparable à celui se déroulant dans un lit fluidisé. En d'autres termes, une quantité d'eau relativement grande est recyclée sans cesse entre la roue de ventilateur 4. la paroi de la sortie d'air 3 et l'ossature portante, alors que d'assez petites fractions d'eau seulement sont rejetées à l'extérieur du réfrigérant par la sortie d'air 3. Cette situation est représentée schématiquement sur la figure 3, o le circuit 28 symbolise la grosse quantité d'eau recyclée, tandis que la flèche 29 symbolise l'apport d'eau de refroidissement sous forme de gouttes qui peuvent passer le sépa- rateur de gouttes 13 (qui sont faiblement chargées en germes, 103/cm d'eau par exemple) et la flèche 30 représente l'eau de refroidissement rejetée par la sortie d'air 3 (fortement chargée en germes, 10 5/cm3 d'eau par exemple). Les recherches théoriques et les expérimentations pratiques de l'inventeur ont finalement conduit à la solution, selon laquelle la sortie d'air du ventilateur est pourvue d'au moins un dispositif de captage d'eau sous forme d'au moins une gouttière dans ou sur la paroi de la sortie d'air, à un endroit o la section de passage de la sortie d'air n'est pas minimale, et selon laquelle on prévoit un dispositif d'écoulement d'eau pour évacuer l'eau captée au bassin collecteur, sous forme d'au moins un tuyau de descente menant directement de la gouttière de captage au bassin collecteur. Dans une exécution avantageuse de cette caractéristique essentielle de l'invention, une première gouttière de captage est disposée dans la paroi de la sortie d'air au-dessous de la roue de ventilateur, dans la région du bord inférieur évasé de la sortie d'air, pour capter un film d'eau descendant sur cette paroi. Une deuxième gouttière de captage reliée par un tuyau de descente au bassin collecteur peut être prévue en plus dans une partie de paroi de la sortie d'air évasée à la façon d'un diffuseur, au-dessus de la roue de ventilateur, pour capter un mince film d'eau refoulé vers le haut par le courant d'air au-dessus de la roue de ventilateur et pour évacuer cette eau également au bassin collecteur. Il a été constaté avec étonnement que l'évacuation de l'eau dans la région de la paroi de la sortie d'air conduit à une diminution considérable de la quantité d'eau de refroidissement sortant librement par la sortie d'air, ainsi qu'à une diminution considérable de son chargement en germes. Cela provient de ce que la quantité d'eau recyclée dans le circuit 28 selon la figure 3 est ainsi très fortement réduite. Autrement dit, l'eau est empêchée de séjourner longtemps dans la partie supérieure du réfrigérant, c'est-à-dire dans une région o les conditions pour la multiplica- tion des germes sont particulièrement favorables. Avec la solution selon l'invention, l'eau descendant par ruissellement est évacuée immédiatement de la région o la température, de 40'C par exemple, est favorable pour la multiplication des germes et amenée au bassin collecteur, o la température est nettement plus basse, de 30'C par exemple. Les germes que contient l'eau de refroidissement subissent de ce fait un choc thermique qui est nuisible à leur multiplication. Même si les germes ne devaient pas subir des dommages à l'évacuation de l'eau de refroidissement dans le bassin, la solution selon l'invention évite dans tous les cas le rejet d'eau de-refroidissement fortement enrichie de germes par la sortie d'air. Afin de favoriser encore l'évacuation de l'eau dans la région de la paroi de la sortie d'air, une autre caractéristique de l'invention prévoit que des rainures pouvant avoir différentes sections et pouvant être orientées verticalement ou obliquement sont ménagées dans la paroi de la sortie d'air au-dessus de la gouttière ou des gouttières. La disposition oblique des rainures peut être avantageuse en vue de l'adaptation à l'écoulement en hélice - produit par le ventilateur - de l'air sortant. Les poutres transversales de l'ossature portante peuvent en plus être disposées entre les piliers avec une inclinaison assu- rant l'écoulement de l'eau. S'il s'agit d'apporter une amélioration dans des réfrigérants existants o les poutres transversales sont disposées horizontalement, on peut munir celles-ci d'une troisième gouttière de captage ayant l'inclinaison nécessaire pour l'écoulement de l'eau. Dans les deux cas, les piliers de l'ossature portante peuvent faire partie du dispositif d'écoulement d'eau. Il est cependant possible aussi de prévoir des tuyaux de descente parti- culiers pour l'eau s'écoulant des poutres transversales. Une telle exécution de l'ossature portante évite l'égouttage de celle-ci, de sorte que l'ossature non plus ne peut pas apporter de l'eau dans le circuit 28. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés (dont les figures 1, 2 et 3 concernent l'art antérieur et ont déjà été décrites), sur lesquels: - la figure 4 est une coupe axiale de la sortie d'air d'une tour de refroidissement à ventilateur comportant un dispositif d'écoulement d'eau selon l'invention; - la figure 5 est une coupe axiale partielle d'une sortie d'air selon une variante de réalisation de l'invention; - les figures 6a, 6b et 6c sont des coupes horizontales partielles montrant différentes formes de réalisation possibles de rainures ménagées dans la paroi de la sortie d'air selon la variante de lafigure 5; - les figures 7a, 7b et 7c sont des détails, en coupe axiale à plus grande échelle, montrant différentes formes de réalisa- tion d'une gouttière de captage prévue au-dessus de la roue de ventilateur; - la figure 8 est une vue de côté partielle de la disposition selon l'invention des poutres transversales d'une ossature portante dans une tour de refroidissement à ventilateur; et - la figure 9 est une vue de côté semblable à celle de la figure 8 montrant la disposition de gouttières de captage sous des poutres transversales horizontales d'une ossature portante dans une tour de refroidissement à ventilateur. Pour plus de simplicité, des éléments ayant la même fonction sont désignés par lés mêmes références sur les figures 1 à 9. La figure 4 ne montre pratiquement que la sortie d'air 3 et une roue de ventilateur 4 d'une tour de refroidissement selon l'invention. La roue de ventilateur 4, par les forces centrifuges qu'elle engendre, élimine de l'eau du courant de buéestraversant la sortie d'air 3 dans le sens des flèches à une vitesse moyenne de m/s par exemple,en la projetant contre la paroi de la sortie 3. Sur cette dernière se forme ainsi un film de liquide 21 qui s'écoule vers le bas le long de la paroi s'il est suffisamment épais. Un film plus mince peut s'écouler en outre en direction de la flèche 23 sous l'influence du courant de buées ascendant. Sur le bord inférieur 24 de la sortie d'air 3 est disposée, tout autour de ce bord, une gouttière de captage 40. Cette gouttière peut avoir une faible inclinaison par rapport à l'horizon- tale, en direction d'un tuyau de descente vertical 41 qui traverse toute la hauteur de la tour et aboutit dans le bassin collecteur Il. Il est possible aussi de prévoir plusieurs de tels tuyaux de descente répartis sur la gouttière. Afin de pouvoir capter également un éventuel film d'eau ascendant, une deuxième gouttière 42 est encastrée dans la paroi de la sortie d'air 3 audessus de la roue de ventilateur 4. La deuxième gouttière de captage 42 fait également le tour de la sortie d'air et communique avec un tuyau de descente 43, lequel débouche également dans le bassin collecteur 11. Au moyen des gouttières de captage 40, 42, il devient possible d'évacuer l'eau éliminée du courant de buées et projetée contre la paroi de la sortie d'air 3 directement dans le bassin collecteur et d'empêcher ainsi qu'une grande masse d'eau reste en circulation comme décrit en référence à la figure 3 dans la partie supérieure de la tour de refroidissement, o les conditions de multiplication des germes sont favorables, et peut s'enrichir de façon indésirable avec ces germes. L'évacuation de l'eau peut encore être favorisée, comme représenté sur les figures 5 et 6, par des rainures verticales 45 ménagées sur la portion désignée par 44_de la paroi intérieure de la sortie d'air. Les rainures 45 facilitent l'écoulement de l'eau dans la gouttière 40. La figure 6a montre des rainures 45a avec des flancs en V, la figure 6b montre des rainures 45b de section rectangulaire et la figure 6c montre des rainures 45e de section semi-circulaire. Les figures 7a à 7c représentent différentes formes de réalisation de la deuxième gouttière 42. Alors que le bord supérieur 46a de la gouttière de captage 42a sur la figure 7a est situé dans le mime plan - dans le sens de l'écoulement - que le bord inférieur vif 47a à l'entrée de la gouttière, le bord supérieur 46b de la gouttière 42b sur la figure 7b est décalé vers le centre du courant sortant et forme un rebord de retenue favorisant la déviation de l'eau sur le bord inférieur vif 47a dans la gouttière. Pour la réalisation de la gouttière 42e de la figure 7e, une ouverture annulaire est formée dans la paroi latérale de la sortie d'air 3. Dans cette ouverture est disposé un recouvrement poreux 48, derrière lequel est fixé, sur le coté extérieur de la sortie d'air, un anneau de tôle 49 de profil rectangulaire, qui communique en bas avec un tuyau de descente 43. Les figures 8 et 9 concernent des dispositions selon l'invention sur l'ossature portante, comprenant les piliers 6 et les poutres transversales 7. Dans l'exécution de la figure 8, les poutres transversales 7 ne sont pas horizontales mais possèdent une inclinaison par rapport à l'horizontale pour assurer l'écoulement de l'eau. Cette inclinaison ne devrait pas être inférieure à 5 environ. Cette mesure évite que des gouttes d'eau ne tombent des poutres situées relativement haut et ne soient entrafnêes vers le haut par le courant de buées dans la circulation selon la figure 3. Au lieu de cela, l'eau déposée sur les poutres transversales 7 s'écoule le long de celles-ci et le long des piliers 6 jusque dans le bassin collecteur 11 à la partie inférieure de la tour. Dans les tours de refroidissement existantes o les poutres transversales 7 sont orientées horizontalement, il est possible d'installer sous ces poutres des gouttières d'écoulement d'eau 50 ouvertes en haut, ayant l'inclinaison nécessaire pour l'écoulement de l'eau et ayant un profil en V avec la pointe en bas (comme représenté sur le pilier 6 de droite sur la figure 9) ou un profil semi-circulaire (comme représenté sur le pilier 6 de gauche sur la figure 9). Les gouttières 50 dirigent l'eau tombant par gouttes des poutres transversales 7 vers les piliers, o elle peut sortir des gouttières par des trous 51, 52 prévues en bas et s'écouler le long des piliers 6 jusque dans le bassin. R E V E N D I C A T I O N S 1. Tour de refroidissement comportant un ventilateur aspirant dans la sortie d'air et des dispositifs incorporés de refroi- dissement sur lesquels on fait ruisseler l'eau à refroidir et devant lesquels circule l'air aspiré par le ventilateur, qui refroidit l'eau descendant par ruissellement dans un bassin collecteur en étant en contact direct avec elle, caractérisée en ce que la sortie d'air (3) du ventilateur (4) est pourvue d'au moins un dispositif de captage d'eau sous forme d'au moins une gouttière de captage (40,42) dans ou sur la paroi de la sortie d'air, à un endroit o la section de passage de la sortie d'air (3) n'est pas minimale, et en ce que la tour comprend un dispositif d'écoulement d'eau pour évacuer l'eau captée au bassin collecteur (11)3 sous forme d'au moins un tuyau de descente (41,43) menant directement de la gouttière de captage (40,42) au bassin collecteur. 2. Tour de refroidissement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une première gouttière de captage (40) est disposée sous la roue de ventilateur (4) dans la région du bord inférieur évasé (24) de la sortie d'air (3). 3. Tour de refroidissement selon la revendication 2) caractérisée en ce qu'une deuxième gouttière de captage (42) est encastrée au-dessus de la roue de ventilateur (4) dans une partie de paroi évasée en forme de diffuseur de la sortie d'air (3). 4. Tour de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la paroi (44) de la sortie d'air (3) présente des rainures (45) orientées verticalement ou obliquement au-dessus de la gouttière de captage ou de chaque gouttière de captage (40,42). 5. Tour de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une ossature portante avec des poutres transversales et des piliers pour supporter les dispositifs incorporés de refroidissement et d'autres dispositifs, caractérisée en ce que les poutres transversales (7) sont disposées entre les piliers (6) avec une inclinaison assurant l'écoulement de l'eau et en ce que des dispositifs d'écoulement d'eau vers le bassin collecteur (11) sont conjugués aux poutres transversales (7). 6. Tour de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une ossature portante avec des poutres transversales orientées horizontalement et des piliers pour supporter les dispositifs incorporés de refroidissement et d'autres dispositifs, caractérisée en ce qu'une troisième gouttière de captage (50) combinée avec un dispositif d'écoulement d'eau vers le bassin collecteur (11) est conjuguée à chaque poutre transversale horizontale (7). 7. Tour de refroidissement selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les piliers (6) servent de dispositifs d' écoulement d'eau. 8. Tour de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un séparateur de gouttes (13) est prévu en aval des dispositifs incorporés de refroidissement (8).