Brevet FR2515801A1 — publié le 19830506

La présente invention se rapporte à un appareil de refroidissement de liquide refroidi par airs Les appareils de refroidissement de liquide, refroidis par air, tels que les tours de refroidissement et analogues-, sont cou- ramment utilisés dans diverses installations industrielles, bâtiments commerciaux et analogues. De même, les torchères pour brûler et détruire sans danger des fluides combustibles sont d'un emploi indispen- sable dans les raffineries de pétrole, les usines chimiques 0 et analogues. Dans une usine qui comporte ces deux types d'équi- pements, ceux-ci ont été jusqu'à présent installés et uti- lisés indépendamment l'un de l'autre Ils présentent res- pectivement les inconvénients suivants. Du fait qu'un appareil de refroidissement de liqui- de refroidi par air, tel qu'une tour de refroidissement, est adapté de manière à produire tout ou partie du tirage requis par la convection résultant de la différence de den- sité de l'air, provoquée par la différence de température entre l'entrée d'air atmosphérique et la sortie d'air, un appareil de refroidissement de liquide de grande capacité a inévitablement une hauteur totale extrêmement grande, c'est-à-dire que l'appareil forme une haute tour ou chemi- née, comme représenté sur la Fig 1 La hauteur totale doit être considérablement accrue lorsque la capacité de refroidissement est accrue En outre, une grande super- ficie est requise pour la construction de la tour et ses fondations sont hautes En général, une tour de refroidis- sement du type à tirage naturel ayant une capacité de re- froidissement de liquide de l'ordre de 10 000 t/h doit avoir une hauteur totale d'environ 100 m et le diamètre de sa base circulaire est d'environ 90 m de sorte que l'instal- lation devient inévitablement d'une taille gigantesque. D'autre part, une torchère, qui est un appareil servant à détruire les déchets combustibles, qui est in- dispensable dans certaines installations industrielles, pose des problèmes de coûts de construction élevés sem- blablez à ceux des tours de refroidissement En outre, il est nécessaire de prendre des mesures spéciales pour pro- téger le milieu environnant afin de réduire au minimum les effets nuisibles sur l'environnement dans les zones voi- sines de l'équipement et de l'installation industrielle, effets nuisibles qui peuvent être Provoqués par la lumière, la chaleur et le bruit rayonnés Par conséquent, il est nécessaire d'installer la torchère d'une manière telle que la flamme soit située à un emplacement aussi haut que pos- sible, ou d'envoyer le fluide combustible à brûler à une torchère qui est située dans une zone dégagée de l'usine, en utilisant de longues canalisations. Du fait que l'appareil de refroidissement de li- quide refroidi par air et la torchère sont tous deux de i S hautes structures du type tour ou cheminée et qu'ils ont tous deux besoin de fondations solides et larges, des terrains de grande superficie sont nécessaires pour l'ins- tallation de chacun d'eux En examinant les diverses mesures de correction susceptibles de réduire les coûts de construction des usi- nes, les inventeurs ont découvert que si l'appareil de refroidissement de liquide à refroidissement par air et la torchère sont tous deux construits sous la forme d'une combinaison unitaire des deux types d'équipement, dans une usine qui utilise ces deux types d'équipement, on résoud non seulement les problèmes de la technique antérieure mais également, dans certains cas, l'énergie qui serait autre- ment gaspillée par le fonctionnement de la torchère est efficacement utilisée comme source d'énergie pour induire un tirage (courant d'air vertical) dans la tour sans uti- liser d'autre mécanisme spécial servant à induire un tirage, tel qu'un ventilateur, ce qui a pour résultat une diminu- tion importante des hauteurs requises des deux types d'é- quipement Dans d'autres cas, les charpentes utilisées habituellement pour porter la torchère deviennent inutiles dans l'appareil selon l'invention du fait que le corps tubulaire de l'appareil de refroidissement de liquide re- froidi par air peut être utilisé comme support structural principal pour la torchère, Par conséquent, la superficie du terrain nécessaire pour l'installation combinée est réduite et le rayonnement de chaleur, de lumière et de bruit autour de la périphérie de l'installation est ré- duit, ce qui permet d'obtenir des avantages, tels que la suppression des limitations imposées pour la pro- tection de l'environnement, en ce qui concerne les em- placements o ces deux types d'équipement peuvent être installés. Un but de la présente invention est de réali- ser un appareil de refroidissement de liquides refroidis par air qui comporte: un corps tubulaire s'étendant vers le haut pour provoquer un tirage (courant vertical vers le haut) d'air atmosphérique, une partie formant une ouverture d'admission d'air atmosphérique formée à l'extrémité inférieure du corps tubulaire, une torchère installée dans la partie supérieure du corps tubulaire, la lumière rayonnée par la flamme de la torchère étant masquée par la surface de paroi de la partie supérieure du corps tubulaire, de sorte qu'elle n'est pas dirigée vers le bas ni vers l'extérieur de l'appareil et l'extré- mité supérieure du corps tubulaire étant ouverte à l'air atmosphérique. L'échangeur de chaleur utilisé dans l'appareil de refroidissement de liquide refroidi par air peut être du type à échange par contact direct, du type à contact indirect ou du type à contact indirect dans lequel la surface extérieure de l'échangeur est arrosée d'eau. En outre, la paroi circonférentielle du corps tubulaire peut être utilisée comme un échangeur de chaleur du type à paroi mouillée La paroi mouillée dans ce cas sert à protéger la paroi circonférentielle dans la partie supérieure du corps tubulaire des effets du rayonnement engendré par la flamme de la torchère On forme facile- ment la paroi mouillée, par exemple, en accroissant la quantité d'eau qui S 'écoule vers le bas dans le corps tubulaire. Bien qu'on puisse réduire la hauteur totale du corps tubu- laire du fait que le tirage est accru par le courant de gaz chauds dirigé vers le haut produit par la flamme de la torchère, on peut dimi- nuer encore la hauteur totale du corps tubulaire en installant un venti- lateur à l'ouverture d'entrée d'air atmosphérique située à l'extrémité inférieure du corps tubulaire. Dans l'appareil de refroidissement du liquide refroidi par air selon la présente invention, une surface d'eau libre pour pulvériser de l'eau, telle qu'une gouttière débordante 1 est disposée, si nécessaire, sur la surface supérieure de l'échangeur de chaleur pour proté- ger le garnissage contenu dans la partie inférieure du corps tubulaire, du rayonnement produit par la flamme de la torchère. Les moyens de protection contre la chaleur rayon- née par la flamme de la torchère permettent d'abaisser la position de la flamme de la torchère, ce qui contribue ainsi à une diminution de la hauteur totale de l'appareil. La partie de la surface de la paroi intérieure du corps tubulaire qui reçoit la chaleur rayonnée par la flamme de la torchère peut être revêtue d'une matière réfractai- re, afin que cette surface revêtue puisse en toute sécuri- té être maintenue à une température élevée pour chauffer l'air qui s'écoule en contact avec elle, ce qui permet à la partie qui reçoit le rayonnement de contribuer à l'accroissement de la puissance du tirage. Si nécessaire, la surface de paroi intérieure du corps tubulaire qui reçoit la chaleur rayonnante produite par la flamme peut être formée de manière à présenter une surface horizontalement ondulée, comportant des parties de surface inclinées vers le haut, servant à réfléchir le rayonnement vers le haut Pour pouvoir faire face à un brusque accroissement de la charge de la torchère on peut, en fonction des besoins, installer une trappe de sécurité sur la surface de paroi du corps tubulaire, entre la couche de graissage ou l'extrémité supérieure de l'échangeur de chaleur, et l'extrémité inférieure de la flamme La trappe de sécurité fonctionne de manière à ne s'ouvrir vers l'intérieur que lorsque la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du corps tubulaire dépasse une valeur choisie, de façon à admettre de l'air ambiant supplémentaire pour réduire le risque de surchauffe de la partie supérieure du corps tubulaire adjacente à la torchère. Dans l'appareil selon la présente invention, le rapport entre le pouvoir calorifique supérieur ou taux de production de chaleur (en kcal/h) de la flamme de la torchère et la quantité d'eau à refroidir (en t/h) doit être inférieur à 50 000 lorsqu'un tirage forcé n'est pas employé, tandis que ce rapport doit être inférieur à 100 000 lorsque la surface de la paroi intérieure du corps tubulaire comporte des moyens pour la protéger contre le rayonnement de la flamme Le diamètre intérieur (en mètres) de l'extrémité supérieure ouverte du corps tubulaire doit être supérieur à 40 fois le diamètre (en mètres) du brûleur à flamme de la tuyère lorsqu'un tira- ge forcé n'est pas employë, tandis que le premier diamè- tre mentionné doit être supérieur à 20 fois le second diamètre mentionné lorsque des moyens de protection contre le rayonnement de la flamme sont utilisés Pour éviter les effets de la chaleur rayonnante sur la couche de garnissage ou sur l'extrémité supérieure de l'échangeur de chaleur, la distance (en mètres) entre le brûleur à flamme de la torchère et la couche de garnissage ou l'extrémité supérieure de l'échangeur de chaleur devrait être supérieure à 40 fois le diamètre (en mètres) du brûleur à flamme de la tuyère lorsqu'un tirage forcé n'est pas utilisé, et cette distance devrait être supé- rieure à 20 fois ce diamètre lorsque des moyens de protection contre le rayonnement de la flamme sont prévus sur la couche de garnissage ou sur la surface supérieu- re de l'échangeur de chaleur. Pour empêcher le passage du rayonnement lumineux et du bruit engendrés par la flamme de la torchère, la relation entre les valeurs numériques de la somme d'une longueur de la flamme 1 (m) et de la distance verticale Ho (m) entre le brûleur à flamme et l'extrémité supérieu- re de l'échangeur de chaleur ou la cbuche de garnissage, et la valeur numérique du pouvoir calorifique supérieur par heure QH (kcal/h) de la flamme de la torchère, doit être la suivante H O + l>,0,002 f QT Lorsque des moyens de protection contre le rayonnement de la flamme sont installés sur l'extrémité supérieure de l'échangeur de chaleur ou sur la couche de garnissage, la relation doit être la suivante H O + I>,O Oi H Plusieurs brûleurs à flamme peuvent être prévus dans la torchère pour empêcher une répartition inégale du courant d'air ascendant dans le corps tubulaire. Dans les torchères habituelles, il n'est pas important d'améliorer la condition de combustion de la flamme, et il est extrêmement important d'empêcher l'in- terruption de la combustion Dans l'appareil selon la présente invention, cependant, la condition de combustion de la flamme est améliorée, de façon que la combustion soit utilisée directement comme moyen pour accroître le courant d'air ascendant dans le corps tubulaire Pour améliorer les conditions de combustion, on ajoute, si nécessaire, un mécanisme qui fournit, par exemple, à la fois de l'air primaire et de l'air secondaire au brûleur à flamme, pour produire une combustion plus complète. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la Fig l est une vue schématique en coupe verti- cale d'une tour de refroidissement classique; la Fig 2 est une vue schématique en coupe verti- cale, d'une tour de refroidissement selon l'invention au centre de laquelle est installée une torchère; et la Fig 3 est une vue schématique, en coupe verti- cale, d'un second mode de réalisation de l'invention. Comme représenté sur la Fig 2, un brûleur 2 à flamme est disposé dans la partie centrale supérieure d'un corps tubulaire 1 Le corps tubulaire l peut, par exemple, avoir la même forme que les tours de refroidis- sement à tirage naturel du type dit hyperbolique qui sont largement utilisées dans les centrales électriques. Le corps tubulaire peut être fabriqué en béton Il a, de préférence, une section-transversale circulaire et son diamètre diminue progressivement du bas vers le haut Le brûleur 2 à flamme est porté au centre du corps tubulaire l par une charpente verticale réalisée, par exemple, en acier de construction Les émissions de la -flamme, à sa- voir le rayonnement lumineux, le rayonnement calorifique et le bruit, sont limitées à l'intérieur du corps tubulai- re l dans toutes les directions sauf vers le haut Une partie 3 d'admission d'air atmosphérique est prévue à l'extrémité inférieure du corps tubulaire 1 L'air atmos- phérique s'écoule vers le haut à l'intérieur du corps tubulaire et il entre-en contact avec le liquide, par exemple de l'eau, qui descend dans le corps tubulaire 1 dans une couche de garnissage 4 et dans un espace 5 situé au-dessous de la couche de garnissage, de sorte que l'eau est refroidie par le refroidissement par évaporation pro- voqué par le contact avec l'air L'air s'écoule ensuite vers le haut à travers le corps tubulaire 1 L'écoulement ascendant de l'air atmosphérique est accéléré du fait que l'ascension des produits gazeux chauds de la combustion de la flamme dans la partie supérieure du corps tubulaire, induit un courant d'air ascendant à partir de la base du corps tubulaire 1 L'eau refroidie est recueillie dans la cuve ou bassin collecteur 6, à partir duquel elle est distribuée aux emplacements o l'eau refroidie doit être utilisée. Une distribution d'eau à deux étages, formée par un réseau 8 de gouttières, distribue l'eau d'arrivée de façon qu'elle soit étalée approximativement régulièrement sur le dessus de la couche de garnissage 4 L'eau à refroidir est introduite dans le réseau 8 de gouttières par un conduit d'arrivée (non représenté) La couche de garnissage 4 peut être d'une construction appropriée quelconque du type habituellement utilisé dans les tours de refroidissement Son rôle est de fournir une grande surface utile d'eau pour la mise en contact avec l'air qui s'écoule vers le haut. La Fig 3 représente un second mode de réalisa- tion de l'invention, suivant lequel la tour de refroidis- sement comporte plusieurs brûleurs 2 à flamme disposés dans la partie supérieure de l'appareil On notera que les brûleurs sont portés par les côtés du corps tubulai- re 1, et qu'on n'utilise pas de charpente support pour porter les brûleurs Un tube de pulvérisation 7 est ins- tallé pour pulvériser de l'eau sur la paroi interne du corps tubulaire audessus des flammes, de façon ainsi à protéger la parsoi interne du corps tubulaire Le réseau 8 de gouttières de distribution d'eau à deux étages est installé de manière à fournir une surface d'eau libre pour protéger la couche de garnissage 4 de la chaleur rayonnée par la flamme Le corps tubulaire comporte des trappes de sécurité 9, comme décrit ci-dessus. Les principaux avantages qui résultent de l'em- ploi de l'appareil de refroidissement de liquide refroi- di par air selon la présente invention sont les suivants réduction des coûts de construction; réduction de la superficie nécessaire pour l'installation; construction moins onéreuse; préservation de l'environnement; amé- lioration de la sécurité; utilisation efficace de l'é- nergie dégagée par la flamme; et perfectionnements en ce qui concerne les conditions d'entretien et d'exploitation. REVENDICATIONS 1 Appareil de refroidissement de liquide re- froidi par air, caractérisé en ce qu'il comporte un corps tubulaire ( 1) s'étendant vers le haut, verticalement al- longé, qui est ouvert à son sommet et est capable de pro- duire un tirage naturel par convection d'air atmosphérique qui le traverse de bas en haut, le corps tubulaire ayant une partie ( 3) d'admission d'air à son extrémité inférieu- re pour admettre de l'air atmosphérique dans l'extrémité inférieure du corps tubulaire; un ensemble de garnissage ( 4) disposé à l'intérieur du corps tubulaire ( 1) au-dessus de la partie d'admission d'air et fournissant une grande surface utile de liquide pour mettre le liquide pratique- ment uniformément en contact avec l'air atmosphérique ad- mis dans le corps tubulaire à travers la partie d'admis- sion d'air, de sorte que le liquide est refroidi par le refroidissement par évaporation provoqué par l contact avec l'air; un réseau ( 8) de distribution de liquide dis- posé à l'intérieur du -corps tubulaire ( 1) au-dessus de l'ensemble de garnissage ( 4) pour étaler le liquide régu- lièrement sur le dessus de l'ensemble de garnissage; des moyens formant torchère (s) disposés à l'intérieur du corps tubulaire et ayant des moyens ( 2) formant brûleur (s) à flamme disposés à l'intérieur du corps tubulaire dans la partie supérieure de ce dernier, de sorte que la flamme (ou les flammes) des moyens ( 2) formant brûleur (s) à flamme est (ou/sont) limitée (s) à l'intérieur du corps tubulaire ( 1). 2 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 7) pour pulvériser du liquide sur la paroi interne du corps tubulaire ( 1) audessus des moyens ( 2) formant brûleur (s) à flamme, afin de mouiller la pa- roi interne du corps tubulaire ( 1). 3 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 9) formant trappe (s) prévus dans le corps tubulaire ( 1) au-dessus du réseau ( 8) de distribution de liquide et au-dessous des moyens ( 2) formant brûleur (s) à flamme, ces moyens formant trappe (s) s'ouvrant automa- tiquement lorsque la différence de pression entre l'air ambiant à l'extérieur du corps tubulaire ( 1) et l'air à l'intérieur du corps tubulaire dépasse une valeur prédé- terniinée, de façon à admettre une plus grande quantité d'air atmosphérique dans le corps tubulaire. 4 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps tubulaire ( 1) est une cheminée à section trans- versale circulaire dont le diamètre diminue progressive- ment vers son extrémité supérieure. 5 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens formant torchère ( 2) sont constitués par une unique torchère disposée dans la région centrale du corps tubulaire ( 1) et comportant une charpente verticale pour porter ladite torchère. 6 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens formant torchère (s) comportent plusieurs tor- chères ( 2) portées par le corps tubulaire ( 1), et disposées en des emplacements approximativement uniformément circon- férentiellement espacés à l'intérieur dudit corps. 7 Appareil de refroidissement d'eau refroidi par air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau.