Brevet FR2513364A1 — publié le 19830325

La présente invention se rapporte aux tours de refroidis- sement de liquides habituellement appelées réfrigérants atmos- phériques et, plus particulièrement, à des tours de refroidis- sement de liquide qui comprennent une série de couches empi- lées de briques à alvéoles multiples. Les tours de refroidissement sont utilisées pour refroi- dir les liquides par contact avec l'air On laisse le liquide s'écouler vers le bas dans la tour et on fait passer par di- vers moyens un courant d'air à contre-courant à travers le li- quide en écoulement descendant Une application habituelle des tours de refroidissement de liquide est le refroidissement de l'eau (dissipation de la chaleur perdue) utilisé dans les cen- trales électriques et les usines et dans les installations de conditionnement d'air pour l'industrie ou pour les bureaux. Un type de tour de refroidissement de la technique anté- rieure utilise des couches empilées de briques de terre cui- te les briques sont formées par extrusion d'argile en forme de tube ayant une section transversale à peu près rectangu- laire et plusieurs alvéoles axiaux Le tube extrudé est en- suite découpé transversalement par des fils coupants pour for- mer des briques élémentaires ayant une longueur axiale d'en- viron 12,7 à 20,3 cm Les briques rectangulaires peuvent avoir des dimensions transversales d'environ 22,9 à 25,4 cm et deux à cinq alvéoles sur chaque côté Ensuite, les briques sont cuites pour former une brique dure et résistante Les briques sont empilées en couches de telle manière que les alvéoles des briques s'étendent verticalement les briques de chaque couche sont empilées directement sur les briques de la couche précédente et les briques de chaque couche sont de préférence décalées de telle manière que les alvéoles d'une brique ne soient pas alignés verticalement sur les alvéoles des briques situées au-dessus et audessous Les briques de chaque couche sont espacées latéralement des briques adjacentes de la même couche. Les briques sont empilées dans une paroi enveloppante et l'eau ou un autre liquide à refroidir est introduit au sommet de la pile, par exemple au moyen de rampes d'arrosage L'eau s'écoule de haut en bas sur les parois et à travers les alvéo- les des briques ainsi qu'à travers les espaces compris entre les briques adjacentes d'une même couche Un courant d'air est induit de bas en haut à travers l'empilement, à contre courant par rapport à l'eau L'air contribue à diviser l'eau en gouttelettes et le contact entre l'air et l'eau se traduit par un transfert de chaleur et de masse de l'eau à l'air. Suivant l'invention, le rendement d'une telle tour de refroidissement est accru considérablement en insérant des entretoises entre les couches adjacentes de briques au lieu d'empiler directement chaque couche sur la couche précédente. Ces entretoises créent un espacement vertical d'environ 2,5 à 10,2 cm entre les couches de briques et l'air et l'eau peuvent ainsi s'écouler transversalement dans une certaine mesure entre les couches adjacentes La perte de charge ou résistance à l'écoulement de l'air à travers l'empilement est ainsi réduite L'utilisation de couches d'entretoises se tra- duit également par un meilleur transfert de chaleur et de masse entre l'eau et l'air L'espacement des couches permet de cette façon d'induire l'air nécessaire avec une moindre consommation d'énergie tout en accroissant le rendement de transfert de la tour de refroidissement, ou encore de réduire les dimensions de la tour de refroidissement sans réduire sa capacité de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d' exemple: la Fig 1 est une vue partielle en perspective d'une tour de refroidissement qui comporte des entretoises entre les couches de briques conformément à l'invention; la Fig 2 est une vue partielle en perspective à plus grande échelle des deux couches inférieures de briques; la Fig 3 est une vue partielle en perspective à plus grande échelle de deux couches de briques séparées par une couche d'entretoises; la Fig 4 est une vue partielle en plan de deux couches de briques séparées par une couche d'entretoises; la Fig 5 est une vue partielle en coupe et en élévation prise suivant la ligne 5-5 de la Fig 4; la Fig 5 A est une vue partielle à plus grande échelle d'une partie de la Fig 5; la Fig 6 est une vue en perspective de l'une des entre- toises; la Fig 7 est une vue analogue à la Fig 3 qui montre une variante de réalisation de l'entretoise; la Fig 8 est une vue en plan de dessus de l'entretoise de la Fig 7; et la Fig 9 est une vue en élévation de l'entretoise, pri- se suivant la ligne 9-9 de la Fig 8. L'invention sera expliquée en regard d'un ensemble 10 constituant une tour de refroidissement d'eau représentée sur la Fig 1, qui est une tour du type à tirage forcé utilisée pour refroidir l'eau d'une installation de conditionnement d' air Toutefois, il va de soi que l'invention peut être appli- quée dans d'autres types de tours de refroidissement, par exemple des tours à tirage naturel, du type cheminée, qui sont utilisées dans les centrales électriques. La tour de refroidissement comprend un bassin 11 et une paroi 12 qui s'élève au-dessus du bassin Le bassin particu- lier représenté est rectangulaire et il comprend des parois latérales 13, 14, 15 et 16 et un fond 17 La paroi 12 est également rectangulaire et comprend des côtés 18 et 19 qui sont des prolongements des parois 13 et 14 du bassin et des côtés 20 et 21 qui sont décalés vers l'intérieur par rapport aux côtés 15 et 16 du bassin Les parois 20 et 21 de la tour se terminent au-dessus du fond du bassin et sont supportées par des poteaux 22 et 23 Des grilles d'air 24 couvrent l'es- pace compris entre la paroi latérale 15 du bassin et la paroi latérale 20 de la tour et entre la paroi latérale 16 du bas- sin et la paroi latérale 21 de la tour La grille est par- tiellement arrachée sur la Fig 1 pour la clarté de le repré- sentation. Bien que le bassin et la paroi de la tour particuliers représentés soient rectangulaires, il va de soi que le bassin et/ou la tour peuvent être de 'orme circulaire, polygonale ou de toute autre forme désirée. Plusieurs traverses parallèles 26 en fonte (voir égale- ment Fig 2) s'étendent entre les parois latérales 13 et 14 du bassin et sont supportées par des poutres qui s'étendent entre les parois 20 et 21 de la tour Chaque traverse présen- te une forme en T inversé et supporte une rangée de briques inférieures 27 (Fig 2) La rangée de briques inférieures forme une première couche horizontale 28 de briques et les couches horizontales suivantes 29, 30, 31 etc de briques 32 sont empilées verticalement au-dessus de la couche infé- rieure Chaque couche de briques est espacée de la couche sous-jacente par une couche d'entretoises 33 (Fig 3). Comme on peut le voir en se reportant aux Fig 3 et 4, chacune des briques 32 est de forme générale rectangulaire en section horizontale et elle comprend une paroi latérale rectangulaire 34 et des alvéoles ou espaces ouverts 35 orien- tés verticalement, qui sont définis par des voiles ou cloi- sons 36 qui s'étendent transversalement et se croisent Les briques sont de préférence formées de la façon décrite plus haut par découpage transversal d'un tube d'argile rectangu- laire extrudé L'argile est extrudée de manière à former les alvéoles 35 et la distance entre les couteaux détermine la hauteur verticale ou axiale des briques L'opération de coupe forme des bords inférieur et supérieur 37 et 38 (Fig 5) qui sont habituellement rugueux ou garnis de bavures par suite du déplacement du couteau à travers l'argile molle L'une des bavures est représentée en 37 a sur la Fig 5 A Après la cou- pe, les briques sont cuites pour former une matière dure à faible pouvoir d'absorption d'eau. Comme on peut le voir sur la Fig 2, les briques de la couche inférieure 28 qui sont supportées par les traverses 26 sont rectangulaires plutôt que carrées et comprennent des pa- rois latérales longues 39 et des parois latérales courtes 40. Les briques inférieures présentent quatre alvéoles le long du grand côté et trois alvéoles le long du petit côté. Des tubes de distribution d'eau 42 situés au-dessus de la couche supérieure de briques partent d'un tube collecteur 43 vers l'extérieur Le tube collecteur est relié à un tube 44 d'alimentation en eau qui s'étend vers le bas à travers I' empilement de briques et vers l'extérieur en traversant la paroi latérale 16 du bassin Le tube d'alimentation en eau est relié à une source d'eau qu'il s'agit de refroidir Les tubes de distribution d'eau sont munis de gicleurs ou orifi- ces de pulvérisation destinés à distribuer l'eau sur la face supérieure de la pile de briques. Dans la tour à tirage forcé représentée, un ventilateur d'air 45 est monté dans une cheminée de ventilateur cylindri- que 48 située au-dessus des tubes de distribution d'eau La cheminée du ventilateur s'élève sur une paroi supérieure 47 qui ferme le sommet de la tour Le ventilateur est entraîné par un moteur 48 qui est monté sur la paroi supérieure les tours à tirage naturel ne comportent pas de ventilateur et le mouvement de l'air est induit par un effet de cheminée et non pas par un équipement mécanique. Une grille de blocage d'eau 50 est placée entre le ven- tilateur 45 et les tubes de distribution d'eau 42 Cette gril- le est destinée à permettre à l'air de s'écouler vers le haut mais à empocher le passage de l'eau, et dans le cas particu- lier représenté sur le dessin, elle comprend trois couches de fentes inclinées pour former un trajet en zig-zag et une au- tre grille de blocage qui peut être utilisée dans de telles tours comprend un ensemble de volets espacés à profil aéro- dynamique. A l'exception des entretoises 33 qui séparent les cou- ches de briques, la structure décrite ci-dessus correspond à la construction des tours de refroidissement vendues par Ceramic Cooling Tower Company de Fort W Jorth, Texas E U A. Dans ces tours de refroidissement de la technique antérieure, la première couche 29 de briques 32 est empilée directement sur la couche inférieure 28 de briques rectangulaires 27; et chacune des couches de briques suivantes est empilée directe- ment sur la couche précédente. La demanderesse a constaté que le rendement d'une telle tour de refroidissement est considérablement augmenté lorsque chaque couche de briques est séparée des couches adjacentes par des entretoises Les entretoises réduisent la perte de charge de l'air qui est aspiré à travers l'empilement de bri- ques par un ventilateur 45 et elles accroissent le taux de transfert de chaleur et de masse entre l'eau et-l'air La combinaison de l'accroissement du taux de transfert et de la réduction de la perte de charge permet de réaliser des écono- mies sur l'énergie et l'équipement en réduisant la puissance du moteur du ventilateur et/ou la hauteur de pompage néces- saire pour faire circuler le liquide à refroidir Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, une tour de refroidissement équipée d'entretoises entre chaque couche de briques ne consommait que 46 % de la puissance demandée par une tour de mêmes dimensions mais dépourvue d'entretoises. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on a pu obtenir la capacité d'une tour de refroidissement sans entre- toises dans une tour à entretoises qui ne représentait qu'en- viron 77 % de la dimension de la tour sans entretoises On uti- lisait la même puissance de ventilation dans les deux tours. La réduction des dimensions permet de réaliser de grandes économies sur le coût des briques. La forme particulière de réalisation des entretoises 33 représentée sur les Fig 3 à 6 est obtenue à partir d'argile extrudée qui est cuite de la même façon que les briques 32. Toutefois, les entretoises ne comportent que quatre alvéoles 52 (Fig 6) qui sont formés par des voiles ou cloisons en X 53 et 54 et les entretoises ont une surface de section de seulement environ 1/4 de celle des briques 32. Le motif d'empilement des briques et entretoises est re- présenté sur les Fig 4 et 5 Les briques de la couche 29 sont indiquées en 29 a, 29 b, 29 c, etc et les briques de la couche 30 sont indiquées en 30 a, 50 b, 30 e, etc lies briques de chaque couche sont disposées avec leurs côtés parallèles aux briques adjacentes et chaque brique est séparée de cha- cune des briques adjacentes par un espace à peu près aussi large que les alvéoles 35 des briques pour donner un agence- ment des couches dans lequel les cloisons se trouvent au- dessus des alvéoles. Chacune des entretoises est empilée approximativement sur les axes de deux briques adjacentes de la couche 29 et les entretoises sont disposées de telle manière que les cloi- sons en X 53 et 54 forment des angles d'environ 450 avec les parois latérales des briques Le centre de chaque entretoise est situé au-dessus du milieu de l'espace compris entre les deux briques dans chaque direction. Les briques 30 a, 30 b, etc de la couche suivante 30 de briques sont empilées sur les entretoises de manière que les briques de la couche 30 soient décalées en diagonale par rap- port aux briques de la couche 29 de sorte qu'ici également les cloisons se trouvent au-dessus des alvéoles d'une couche à l'autre. On poursuit l'empilement représenté sur les Fig 4 et 5 avec le même agencement jusqu'à ce que la hauteur de la pile assure le degré de refroidissement voulu On empile une cou- che d'entretoises 33 sur la couche 30 de briques,puis on em- pile une autre couche de briques sur les entretoises et ainsi de suite Il va de soi que les briques de la couche qui sur- monte la couche 30 seront superposées aux briques de la cou- che 29. Comme on peut le voir en se référant à la Fig 5, les bords inférieurs des briques de la couche 30 se trouvent es- pacés au-dessus des bords supérieurs des briques de la couche 29 par les entretoises 33 selon l'agencement précité Cet espacement permet à l'air de s'écouler latéralement entre les briques et de chercher le trajet de moindre résistance entre les briques de la couche suivante Ce déplacement latéral permet également à l'air d'entrer en contact avec les goutte- lettes d'eau qui se forment sur les bords inférieurs des bri- ques, en accroissant ainsi le contact air-eau la redistribu- tion de l'air et de l'eau dans les espaces verticaux créés par les entretoises permet de réaliser le potentiel de trans- f ert maximal (différence d'enthalpie) dans chaque couche de briques. Les raisons précises de l'accroissement de rendement qui est assuré par les entretoises ne sont pas entièrement élucidées L'une des raisonspeut consister dans le fait que les entretoises interrompent les cheminées d'écoulement d'air qui, autrement, se produisent dans les espaces compris entre les briques adjacentes de la même couche Sur la Fig 4, 1 ' entretoise M 3 a est placée dans l'espace compris entre les briques 29 â et 29 b Si les entretoises n'étaient pas posi- tionnées de cette façon, il existerait un espace vertical correspondant sur toute la hauteur de la tour L'air qui s' éleverait par ces cheminées verticales n'aurait qu'un très médiocre contact avec l'eau et assurerait un mauvais taux de transfert de chaleur et de masse Les entretoises interrom- pent ces cheminées et forcent l'air à s'écouler latéralement de sorte que l'air circule entre les briques et entre en con- tact avec une plus grande quantité d'eau. Les entretoises atténuent également les restrictions s' opposant à l'écoulement de l'air à travers les alvéoles des briques En l'absence d'entretoises, les cloisons croisées d'une brique seraient directement centrées au-dessus des al- véoles de la brique immédiatement sous-jacente Les entre- toises éloignent ces cloisons des extrémités supérieures des alvéoles. On estime que l'accroissement du rendement engendré par les entretoises est lié à la présence des bords rugueux ou garnis de bavures des briques, laquelle est due au fait que les briques extrudées sont découpées alors que l'argile est encore molle Les bords supérieurs et inférieurs 37 et 38 des briques présentent des bavures qui sont légèrement exa- gérées sur la Fig 5 A pour la clarté de la représentation. On estime que ces bavures des bords accrois'ent la turbulen- ce de l'écoulement de l'air à travers les tours de refroidis- sement de la technique antérieure dans lesquelles chaque cou- che de briques était empilée directement sur la couche précé- dente, en déterminant ainsi un accroisse ent de la perte de charge de l'air Bien que la turbulence accroisse la perte de charge, on estime que cette turbulence contribue à diviser l'eau en gouttelettes,ce qui augmente le contact entre l'eau et l'air. Les entretoises 33 séparent les bords garnis de bavures, en facilitant ainsi le déplacement latéral de l'air entre les alvéoles de deux couches adjacentes La redistribution d'eau et d'air entre les différentes couches de briques qui résul- te de ce déplacement engendre de meilleures conditions de contact, qui engendrent elles-mêmes un accroissement du trans- fert de la chaleur et de la masse Toutefois, bien que la tur- bulence et la perte de charge soient réduites, le contact air-eau est renforcé Ceci constitue l'une des caractéristi- ques surprenantes de l'invention: les entretoises ont à la fois pour effet de réduire la perte de charge et de renfor- cer le transfert de chaleur et de masse entre l'eau et l'air. On pourrait s'attendre en ce qu'une diminution de la perte de charge entraîne une diminution du taux de transfert parce que l'air n'aurait pas un aussi bon contact avec l'eau In- versement, l'accroissement du taux de transfert accroît géné- ralement la perte de charge. Dans une forme de réalisation, les briques 32 ont des dimensions horizontales de 25,4 x 25,4 cm et une hauteur ver- ticale de 15,2 cm Les entretoises 33 ont des dimensions ho- rizontales de 15,2 x 15,2 cm et une hauteur verticale de 5,7 cm La combinaison de briques de 15,2 cm de hauteur et d'en- tretoises de 5,7 cm de hauteur semble donner les caractéris- tiques de fonctionnement optimales Toutefois, la hauteur des briques peut varier entre environ 12,7 et environ 20 cm et la hauteur des entretoises peut varier entre environ 2,? et environ 10,2 cm La hauteur optimale des entretoises dé- pend apparemment die la hauteur des briques Par exemple, pour les briques de 19 cm de hauteur, une entretoise de 3,8 cm de hauteur semble donner les meilleurs résultats Si l'entretoi- se est trop haute, elle risque de ne pas être suffisamment stable pour supporter la pile de briques qui la surmonte et risque d'être trop malcommode à mettre en place efficacement dans la tour La hauteur des entretoises est de préférence inférieure à la moitié de la hauteur des briques. Les entretoises 33 présentent quatre alvéoles, contre seize alvéoles pour les briques et la surface de section des entretoises est à peu près égale à 1/3 de la surface de sec- tion des briques. Une variante de forme d'entretoises est représentée sur les Fig 7 à 9 L'entretoise 56 est en forme de X en coupe horizontale (Fig 8) et elle est formée par deux parois 57 et 58 qui se coupent L'entretoise en X est faite de matière plastique ou de métal, par exemple, de fonte, d'aluminium, d'acier inoxydable ou équivalent Une entretoise métallique en forme de X possède une résistance mécanique suffisante pour supporter la pile de briques et elle ne doit pas néces- sairement présenter la paroi extérieure rectangulaire des en- tretoises 33 en terre cuite (voir Fig 6) La demanderesse a constaté qu'une entretoise en terre cuite en forme de X ne possède pas une résistance suffisante à la manipulation en l' absence de la paroi extérieure rectangulaire. L'entretoise en X 56 a à peu près les mêmes dimensions que les cloisons en X 53 et 54 des entretoises en terre cuite 33 et elle est utilisée de la même façon La Fig 7 repré- sente une couche d'entretoiss 56 séparant deux couches adja- centes de briques 32 en terre cuite. On tire le maximum d'avantages des entretoises lorsqu' elles sont utilisées dans chaque intervalle entre deux cou- ches de briques adjacentes Toutefois, on peut encore obtenir une amélioration du rendement lorsque les entretoises ne sont pas utilisées dans tous les intervalles entre couches Par exemple, les entretoises pourraient être utilisées dans un intervalle sur deux entre couches de briques adjacentes. Bien que l'on ait utilisé le terme de brique dans le pré- sent mémoire pour désigner des briques de terre cuite extru- dée à alvéoles ouverts, il va de soi que ce terme peut éga- lement désigner d'autres matières résistantes munies d'alvéo- les ou pores à travers lesquels l'eau et l'air peuvent pas- ser Bien que le type particulier de tour décrit soit une tour à tirage forcé, l'invention s'applique également aux tours du type cheminée, à tirage naturel. REVEIDICATIOINS 1 Tour de refroidissement de liquide, caractérisée en ce qu'elle comnrend plusieurs couches de briques ( 28,29,30, 1) empilées verticalement, chacune des briques ( 32) présen- tant plusieurs alvéoles ouverts à travers lesquels l'eau et l'air peuvent passer, et une couche d'entretoises ( 35,56) in- terposée entre au moins deux couches adjacentes de briques pour ménager un espace vertical entre lesdites couches adja- centes. 2 Tour suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une couche d'entretoises ( 33, 56) est prévue dans chaque intervalle entre deux couches de briques ( 32) adjacentes. 3 Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la hauteur des briques ( 32) est d'environ 12,7 à 20,3 cm et la hauteur des entretoises ( 33, 56) est d'environ 2,5 à 10,2 cm. 4 Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la hauteur des briques ( 32) est d'environ 15,2 cm et la hauteur des entretoises ( 33, 56) d' environ 5,7 cm. Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface horizontale d'une en- trètoise ( 33, 56) est inférieure à la moitié de la surface horizontale d'une brique ( 32). 6 Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chacune des entretoises ( 335) est faite d'argile extrudée et présente plusieurs alvéoles ou- verts qui la traversent verticalement. 7 Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chacune des entretoises ( 33) est de forme générale rectangulaire et présente plusieurs alvéo- les qui la traversent verticalement. 8 Tour suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chacune des entretoises ( 56) pré- sente la forme générale d'un X en coupe horizontale. 9 Tour de refroidissement de liquide comprenant plu- sieurs couches de briques empilées verticalement, chacune des briques présentant plusieurs alvéoles ouverts qui la traver- sent verticalement, chaque brique de chaque couche étant dé- calée par rapport aux briques des couches adjacentes situées respectivement au-dessus et au-dessous de cette brique, et * des moyens d'alimentation en liquide placés au-dessus des cou- ches de briques empilées et servant à acheminer le liquide à refroidir aux briques empilées de manière que le liquide s' écoule de haut en bas à travers les alvéoles des briques ain- si qu'entre les briques adjacentes d'une même couche, cette tour étant caractérisée en ce qu'elle comprend une couche d' entretoises ( 33, 56) dans chaque intervalle entre deux cou- ches de briques ( 32), pour ménager un espace vertical entre les couches de briques ( 32) adjacentes, ces entretoises ( 33, 56) ayant une surface de section horizontale inférieure à la surface de section horizontale des briques ( 32). Tour suivant la revendication 9, caractériséeen ce que la hauteur des briques ( 32) est d'environ 12,7 à 20,3 cm et la hauteur des entretoises ( 33, 56) est d'environ 2,5 à ,2 cm. 11 Tour suivant la revendication 9, caractérisée en ce que la hauteur des briques est d'environ 15,2 cm et la hauteur des entretoises d'environ 5,7 cm. 12 Tour suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la surface horizontale d'une entretoise ( 33, 56) est inférieure à la moitié de la surface horizontale d'une brique ( 32). 13 Tour suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que chacune des entretoises ( 33) est faite d'argile extrudée et présente plusieurs alvéoles ouverts qui la traversent verticalement. 14 Tour suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que chacune des entretoises ( 33) est de forme générale rectangulaire et présente plusieurs alvéoles qui la traversent verticalement. Tour suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, cexaractérisée en ce que chacune des entretoises ( 56) présente la forme générale d'un X en coupe horizontale.