Brevet FR2500140A1 — publié le 19820820

Condenseur de vapeur d'eau refroidi par de l'air. La présente invention concerne un condenseur de vapeur, spécialement de vapeur d'eau, qui est refroidi par de l'air et qui, en assurant à ses tubes d'échange de chaleur des conditions de fonctionnement uniformesen éliminant ainsi tout risque de courant de retour ou "reflux", permet d'obtenir des rendements très élevés avec un encombrement réduit et des prix de revient et d'entretien plus faibles, même dans des climats très froids o il faut éviter le gel du condensat, c'est-à-dire la formation de bouchonrde glace à l'intérieur des tubes d'échange thermique tout en assurant en même temps une condensation complète. Le refroidissement de fluidespar de l'air tend, depuis quelques années, à être de plus en plus utilisé par rapport au système classique de refroidissement par eau en raison des difficultés de plus en plus grandes d'assurer une alimentation adéquate en eau et en raison des problèmes que pose la pollution thermique et biologique due à l'utilisation de l'eau. Un des domaines dans lesquels l'air de refroidissement est le plus souvent adopté est celui de la condensation de la vapeur d'eau déchargée par les turbines, o, pour améliorer le rendement du cycle, il faut que la condensation soit totale et soit effectuée à des pressions bien endessous de la pression atmosphérique. D'autre part, du fait que l'air qui accompagne toujours la vapeur d'eau donnep'aissance à un entraînement de vapeur d'eau de telle sorte que cette dernière serait déchargée dans l'atmosphère, il devient nécessaire, pour réduire énergiquement la perte de vapeur d'eau entraînée par l'air, d'effectuer un refroidissement particulièrement rigoureux et cette nécessité donne un problème particulièrement difficile à résoudre, spé- cialement chaque fois que les conditions d'environnement passent à des températures bien en-dessous de zéro, et ce problème est d'autant plus difficile à résoudre que la tempé- rature est plus basse. En fait, dans ces conditions, la température à l'in- térieur du condenseur peut tomber à des valeurs voisines de èlles de l'air environnant, le résultat étant la formation d'un bouchon de glace qui, à mesure que le temps s'écoule, peut croître au point d'obstruer complètement le libre passage de la vapeur d'eau dans lestubesdu condenseur et, par consé- quent,de mettre hors service ce dernier. Plus spécifiquement, dans le mode de réalisation le plus typique, on effectue un refroidissement avec de l'air en faisant condenser le fluide ou la vapeur dans des rangées superposées de tubes d'échange de chaleur à ailettes qui sont tous alimentés par un collecteur de distribution commun et qui sont tous évacués vers un seul collecteur commun qui recueille les condensais, lesdits tubes étant exposés à un courant d'air de refroidissement qui est soufflé par des soufflantes à travers lesdites rangées de tubes superposés et qui frappe transversalement les surfaces extérieures de ces tubes. L'air s'écoule à travers lesdites rangées successivement et on voit donc que la première rangée que rencontre initialement l'air sera le siège d'une plus grande condensation de vapeur car elle est en contact avec l'air le plus froid, tandis que la capacité de condensation diminue progressivement à mesure que l'air balaie les autres rangées de tubes du condenseur. En effet, la masse de vapeur d'eau que chaque rangée de tubes d'échange de chaleur à ailettes condense est pro- portionnelle à la différence de température entre la vapeur d'eau saturée et l'air de refroidissement rencontrant la rangée, de sorte que la première rangée est le siège d'une plus grande condensation de vapeur d'eau que la seconde rangée et ainsi de suite. Cette plus grande condensation de vapeur d'eau par suite d'un échange de chaleur plus efficace dans la première rangée conduit, comme on s'en est aperçu dans la pratique et ce phénomène a été également exprimé quantitativement en termes mathématiques, à une aspiration de vapeur d'eau sortant des autres rangées de tubes (ceux qui ont un rendement moindre) dans les tubes de la première rangée, c'est-à-dire que la vapeur d'eau qui est présente dans le collecteur recueillant le condensat se condense car elle n'a pas été condensée dans les rangées supérieures. En résumé, la vapeur d'eau entre initialement dans la première rangée de tubes aux deux ex- trémités, mais la vapeur d'eau s'écoulant à travers lesdites premières rangées de tubes dans l'extrémité de sortie de ces tubes, c'est-à-dire dans une direction opposée à celle du courant principal, est riche en gaz non condensable tel que l'air, de sorte que ces gaz continuent à être emmagasinés dans la partie terminale des tubes en permettant ainsi au condensat de s'écouler dans son collecteur de captage, mais en empêchant toute autre vapeur d'eau d'arriver de ce collecteur et de continuer à chauffer ce condensat à l'aide de sa chaleur latente. Ce phénomène est connu sous la dénomination de "reflux" tandis que l'accumulation résultante des gaz non condensables, c'est-à-dire de l'air, est semblable à un "calorifugeage' et son résultat a pour inconvénient sérieux de réduire de plus en plus la capacité de condensation de la première rangée de tubes jusqu'à ce qu'elle soit pratiquement nulle. Cet inconvénient se trouve encore aggravé dans le cas de climat froid car la température de la partie des tubes de la première rangée qui est devenue inactive diminue jusqu'à la valeur de la température environnante avec pour conséquence le gel, c'est-à-dire le risque que le condensat s'écoulant à travers les tubes gèle, et de ce fait, forme de la glace dans les tubes. L'état de la technique a révélé de nombreux types de condenseurs de vapeur refroidis avec de l'air et dans lesquels on a tenté de redresser les situations provoquées par les phénomènes de reflux et de gel. Un des condenseurs utilisécles plus largement est celui appelé " Vent Condenser" dans lequel seule la fraction prédo- minante de la condensation (75 à 90%) est effectuée dans ce qu'on appelle un condenseur primaire o la vapeur d'eau et le condensat s'écoulent du haut vers le bas parallèlement, tandis que la vapeur d'eau résiduelle est condensée dans un condenseur secondaire à nouvel écoulement ultérieur composé également de tubes verticaux ou inclinés à ailettes et dans lequel la vapeur d'eau s'écoule du bas vers le haut à contre-courant par rapport au condensat qui a été formé.Le fonctionnement d'un tel type de condenseur est basé sur deux idées fondamentales visant, d'une part, à éviter une conden- sation totale dans un seul condenseur primaire o une telle O0140 condensation totale risquerait d'entraîner à la fois un reflux et la formation de glace et, d'autre part, à adopter pour la condensation finale dans le second condenseur, le modèle de nouvel écoulement qui favorise davantage la condensation de la vapeur d'eau résiduelle. Toutefois, un tel type de condenseur classique, en plus de présenter, comme il est évident, un urix de revient et un encombrement élevés, est écalement exposé à un grand nombre de défauts. En effet, la répartition de la condensation entre le condenseur primaire et le conden- seur secondaire en vue d'empêcher le "reflux" et le "calori- fugeage" résultants dépend de la condition de fonctionnement, de sorte au'un compromis est obligatoire entre les divers paramètres de fonctionnement possibles et un tel compromis peut s'avérer inadéquat pour des conditions de fonctionnement particulièrement critiques. De plus, au fur et à mesure que les températures de l'environnement diminuent, il est néces- saire d'améliorer le pourcentage de condensation devant être effectué dans le condenseur secondaire afin d'empêcher le gel du condensat; par conséquent, il faut augmenter la surface du condenseur secondaire et cela même dans une mesure importante (juscu'à 50%) et il en résulte non seulement une augmentation des prix de revient, mais aussi un plus grand risque d'entraî- nement du condensat et une augmentation des chutes de pression, de sorte que la température de condensation est loin de donner satisfaction. Enfin, un autre inconvénient du condenseur du type mentionné ci-dessus est sa faible capacité d'adaptation à des variations brusques de la charge, de sorte que si la vitesse d'écoulement de la vapeur d'eau augmente, il se produit, avant que le système de régulation puisse agir à temps sur les soufflantes, l'arrivée dans le condenseur secondaire d'une grande quantité de vapeur d'eau que ce condenseur est incapable de traiter. Le résultat est une augmentation nuisible, brusque et soudaine de la pression de condensation. Dans un autre type de condenseur classique, on n'évite pas le "reflux" en répartissant la condensation, comme dans le cas précédent, entre deux condenseurs disposés en série, mais en faisant en sorte que chaque rangée de tubes échangeurs de chaleur du condenseur soit évacuée dans son propre collecteur de captage. Dans ce dernier type de condenseur, on évite les inconvénients mentionnés ci-dessus mais on s'aperçoit que le système exige un espace très important et est coûteux car, en plus d'un nombre élevé de collecteurs de captage, il faut autant d'éjecteurs ou d'échappement ainsi que de conduits associés. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus en créant un condenseur de vapeur d'eau à refroidissement par air dans lequel un prix de revient réduit et un encombrement plus faible sont combinés avec un rendement élevé, même si ce condenseur est utilisé dans des climats très froids. On parvient principalement à cet objectif grâce au fait qu'un seul collecteur de distribution pour la vapeur d'eau devant être condensée et un seul collecteur de sortie recueillant le condensat par le bas et évacuant les gaz non condensés par le haut sont raccordés l'un à l'autre par un faisceau de tubes d'échange de chaleur à ailettes disposés parallèlement les uns aux autres de manière que l'on obtienne des conditions de fonctionnement uniformes pour tous ces tubes d'échange de chaleur à ailettes. De façon plus détaillée, selon une caractéristique de la présente invention, lesdits tubes d'échange de chaleur à ailettes du faisceau précité, disposés parallèlement les uns aux autres et horizontalement, se présentent chacun sous la forme d'un serpentin formé de trois éléments à ailettes disposés horizontalement et parallèlement les uns aux autres en rangées consécutives par rapport à la direction du courant d'air de refroidissement, lesdits éléments étant raccordés les uns aux autres par deux raccords coudés disposés suivant un certain angle avec une pente positive pour faciliter l'évacuation du condensat. En effet, cette disposition constructive permet aux mêmes conditions de fonctionnement d'avoir lieu dans chaque serpentin car les éléments qui correspondent les uns aux autres dans le serpentin sont maintenant disposés de la même façon par rapport au courant d'air de refroidissement, de sorte que la tendance de la température de l'air est la même pour tous les serpentins. De plus, l'amenée de la vapeur d'eau et l'évacuation dans l'atmosphère des gaz non condensables et de la vapeur d'eau résiduelle ont lieu sur des côtés opposés, de sorte que la chute de pression est équilibrée et que ceci est valable pour l'écoulement de la vapeur d'eau dans chaque serpentin. En bref, les mêmes conditions identiques existent pour le-fluide sortant des tubes d'échange de chaleur, ce qui exclut indubitablement l'apparition d'un "reflux" même si on n'utilise qu'un seul collecteur d'amenée et un seul collecteur de sortie, ce qui signifie un condenseur présentant un encombrement extrêmement limité. D'autre part, la pente des raccords coudés de chaque circonvolution ou spire du serpentin a pour conséquence que les trois circonvolutions de chaque serpentin sont étagées mutuellement par rapport au trajet du courant d'air de refroi- dissement, de sorte que la fraction du courant d'air de refroidissement s'écoulant entre les premières circonvolutions du serpentin rencontrent les secondes circonvolutions et que le courant s'écoulant entre les secondes circonvolutions rencontre les troisièmes circonvolutions du serpentin, grâce à qucion obtient ainsi une exploitation maximale de l'air de refroidissement. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, les collecteurs de distribution et les collecteurs de sortie sont disposés suivant un certain angle et paral- lèlement l'un à l'autre, le collecteur de distribution étant alimenté par le bas tandis que dans le collecteur de sortie le condensat est évacué par le bas sous l'effet de la pesanteur et les gaz non condensables conjointement avec la vapeur d'eau résiduelle sont chassés par le haut à l'aide d'un éjecteur ou échappement. En procédant de la sorte, on augmente encore le rendement du condenseur, étant donné que, dans le collecteur de sortie, il se produit un écoulement à contre-courant entre le condensat qui est évacué vers le bas et la vapeur d'eau résiduelle qui s'écoule vers le haut, et il se produit un échange de chaleur entre ce condensat et cette vapeur d'eau par contact direct, de sorte qu'une condensation supplémentaire de la vapeur d'eau résiduelle a lieu. Enfin, dans un autre mode de réalisation supplémentaire préféré de la présente invention, les serpentins à trois circonvolutions munis de tubes à ailettes- sont raccordés aux collecteurs de distribution par leur circonvolution à ailettes qui est la première rencontrée par le courant d'air de refroidissement et se trouvent donc raccordés aux collecteurs de sortie par leur circonvolution à ailettes qui est rencontrée la dernière, de sorte qu'ils forment un agencement d'écoulement parallèle avec l'air de refroidissement. De la sorte, l'appareil en question, en plus d'éliminer complètement les conditions qui peuvent donner naissance à un "reflux", assure également une protection supplémentaire contre les risques de gel, étant donné que les circonvolutions de sortie des serpentins sont maintenant balayées par l'air qui a été chauffé pendant qu'il s'écoule entre les deux autres circonvolutions des mêmes serpentins et qui se trouve donc à une température bien au-dessus de l'air environnant. La combinaison de ces deux conditions, à savoir la suppression du "reflux" et le contact avec l'air chauffé de la sortie des serpentins, assure donc une protection totale contre la formation éventuelle de glace et rend plus facile la vérification des conditions de fonctionnement. On va maintenant décrire de façon plus détaillée la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective schématique, partiellement en coupe, de la disposition inclinée préférée de deux condenseurs de vapeur d'eau réalisés selon la présente invention et alimentée par une admission commune de vapeur d'eau, lesdits condenseurs étant disposés en vue d'un écoulement parallèle par rapport à l'air de refroidissement; la figure 2 est une vue de côté schématique, partiel- lerent en coupe et à une échelle agrandie, de la structure de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe de face par A-A de la figure 1. 250001 40 En se référant aux dessins, on voit que la référence 1 désigne un échaffaudage approprié destiné à supporter deux condenseurs de vapeur d'eau, 2 et 2', refroidis par l'air et réalisés selon la présente invention, ces deux condenseurs étant disposés suivant un angle à la façon d'un toit et étant alimentés par un seul collecteur 3 de distribution de vapeur d'eau. Chaque condenseur 2,2' comprend, d'une part, un col- lecteur de distribution 4 ou 4' pour la vapeur d'eau devant être condensée, ce coJecteur étant raccordé à sa base au collecteur 3 de distribution de vapeur d'eau et étant alimenté par ce collecteur et, d'autre part, un collecteur de sortie 5 ou 5' raccordé à sa base à un collecteur 6 ou 6' de captage de condensat et, à son sommet, à un conduit 7 ou 7' pour mettre en communication avec l'atmosphère les éléments non condensables et la vapeur d'eau résiduelle par l'intermédiaire d'un éjecteur qui n'a pas été représenté sur les dessins. Le collecteur de distribution 4 ou 4' et le collecteur de sortie 5 ou 5' sont ensuite raccordés l'un avec l'autre par un faisceau 8 ou 8' de tubes à ailettes d'échange de chaleur disposés parallèlement l'un à l'autre et toujours avec leurs axes horizontaux et, en-dessous de ces tubes, une soufflante 9 ou 9' supportée par l'échaffaudage 1 et entraînée par un moteur 10 ou 10' engendre un courant d'air de refroidissement dans la direction des flèches 11 ou 1l'. Chacun des tubes, d'échange de chaleur du faisceau 8 ou 8' est réalisé alors sous la forme d'un serpentin à ailettes à 3 circonvolutions respectives 12,13,14 (comme on peut mieux le voir sur la figure 3) qui sont disposées horizontalement et parallèlement l'une à l'autre sur des rangées consécutives par rapport à la direction ll et 11' dudit courant d'air de re- froidissement. Les circonvolutions 12,13,14 à ailettes de chaque serpentin sont raccordées mutuellement par deux raccords coudés 15 et 16 qui sontdisposés de façon inclinée avec une pente positive pour favoriser l'évacuation du condensat (comme on peut mieux le voir sur la figure 2) et, dans l'exemple décrit dans le présent exposé, ils sont parallèles au courant 11, c'est-à-dire que la circonvolution 13 à ailettes qui aboutit au collecteur de sortie 5 (voir figure 3) se trouve dans la rangée située la plus à l'extérieur par rapport à la direction du courant d'air de refroidissement, tandis que la circonvolution 12 à ailettes raccordée au collecteur de distribution 4 est la première rencontrée par ledit courant d'air. 25001 40 REVENDICATIONS 1. Condenseur de vapeur d'eau refroidi par de l'air, comprenant un collecteur (4,4') pour distribuer la vapeur devant être condensée, un collecteur de sortie (5,5'), un faisceau (8,8') de tubes d'échange de chaleur à ailettes disposés parallèlement l'un à l'autre et raccordés à l'une de leurs extrémités audit collecteur de distribution.et à leur autre extrémité audit collecteur de sortie, ainsi qu'une soufflante (9,9') engendrant un courant d'air de refroidissement îO perpendiculairement audit faisceau, caractérisé par le fait que lesdits tubes d' échange de chaleur à ailettes dudit faisceau sont disposés horizontalement et sous la forme d'un serpentin à -rois circonvolutions (12,13,14) à ailettes dispo- séeshorizontalement et parallèlement les unes aux autres en rangées consécutives par rapport audit courant d'air de refroidissement, lesdites circonvolutions étant raccordées mutuellement par deux raccords coudés (15,16) inclinés avec une pente positive pour faciliter l'évacuation du condensat. 2. Condenseur de vapeur d'eau refroidi par de l'air selon la revendication 1, caractérisé par le fait qumelesdits collecteurs de distribution et de sortie sont disposés parallèlement l'un à l'autre, le collecteur de distribution étant alimenté par le bas tandis que le condenseur se trouvant dans le collecteur de sortie est évacué par le bas et les produits non condensables conjointement avec la vapeur d'eau résiduelle sont évacués dans l'atmosphère par le haut au moyen d'un éjecteur ou échappement. 3. Condenseur de vapeur d'eau refroidi par de l'air suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits serpentins formés de trois circonvolutions à ailettes sont raccordés chacun au collecteur de distribution par leur circonvolution à ailettes qui est la première rencontrée par le courant d'air de refroidissement eti par conséquent, lesdits serpentins sont raccordés au collecteur de sortie par leur circonvolution à ailettes qui est rencontrée la dernière de sorte qu'ils constituent un agencement qui fonctionne concuramment avec l'air de refroidissement.