Brevet FR2543282A1 — publié le 19840928

L'invention concerne un réfrigérant fermé à venti- lation forcée et à circuit étanches comportant une enceinte, ouverte vers le haut, reliée à des moyens de ventilation forcée, des moyens d'aspersion d'eau de refroidissement, et un circuit échangeur, dans lequel circule le fluide à re- froidir, disposé de manière à recevoir l'eau provenant des moyens d'aspersion. L'utilisation de machines thermiques de grosse puissance par l'industrie et, en particulier, dans les cen- trales thermiques ou nucléaires de production d'électricité, nécessite l'évacuation de la chaleur dégradée Ceci est ob- tenu par circulation d'un fluide caloporteur qui se charge des calories dont on veut se débarasser. Lorsque le fluide est de l'eau, une évacuation directe pourrait âtre envisagée, mais ceci n'est pas possi- ble pour de nombreuses raisons et, en particulier, pour évi- ter la pollution thermique des rivières ou par suite d'un débit d'eau limité L'eau est alors refroidie par ruisselle- ment sur des gradins ou des claies dans une circulation d'air. Le refroidissement étant fonction de la hauteur de chute, les réfrigérans atteignent des tailles importantes et la vaporisation d'une partie de l'eau forme des brouillards qui créent un micro-climat indésirable. Dans le cas o le fluide caloporteur ne peut être mis en contact direct avec l'air de refroidissement, on est obligé de recourir à des échangeurs à circuit fermé dans les- quels le fluide passe dans des tubes sur lesquels on fait ruisseler de l'eau dans un courant d'air Un tel réfrigérant est connu du brevet français N O 2 319 098 le fluide à re- froidir passe dans des échangeurs constitués d'un faisceau de tubes parallèles maintenus entre eux par des ailettes Plusieurs échangeurs sont disposés en gradins à l'intérieur d'une tour de refroidissement, de manière que l'axe des tu- bes fasse un angle compris entre 15 et 450 par rapport à la verticale Des rampes de projection sont prévues au-dessus des échangeurs et projettent de l'eau sur les ailettes contre lesquelles elle ruisselle La circulation d'air est assurée par tirage naturel dans la tour. Le réfrigérant ci-dessus décrit permettrait une réduction des dimensions par rapport à celles des tours classiques, et le rejet d'une faible quantité de vapeur dans l'air atmosphérique d'o il résulte une économie de l'eau de refroidissement et la suppression des micro-climats nuisibles. Le réfrigérant, selon l'invention, présente comme connu un échangeur tubulaire, une aspersion d'eau de refroi- dissement, mais comporte un échangeur tubulaire continu oc- cupant de préférence toute la surface-balayée par l'air de refroidissement pouvant être fourni par des moyens mécani- ques de ventilation L'efficacité de l'échangeur est, en ou- tre, augmentée par une forme particulière des ailettes pré- vues sur les tubes et-par des conditions inhabituelles de fonctionnement des pulvérisateurs permettant un mouillage uniforme des tubes à ailettes de l'échangeur, La perte d'efficacité de l'échangeur par formation de déptts sur les surfaces d'échange est supprimée par le traitement et le contrble de débit de l'eau de refroidisse- ment recyclée. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'inven- tion peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réfrigérant selon une forme de réalisation de l'invention. Les figures 2 et 2 A sont des vue partielles en coupe, à plus grande échelle selon II II de la figure 1 de deux formes de réalisation du réfrigérant. Les figures 3 et 3 A sont des vues en coupe d'un tube à ailettes selon deux exemples de réalisation. Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe, en plan et latérale d'un pulvérisateur et de la forme du c 8 ne de pulvérisation. Le réfrigérant, selon la forme de réalisation re- présentée schématiquement figure 1, est constitué d'une en- ceinte 1 de forme rectangulaire ouverte à son extrémité su- périeure l Un des cotés de l'enceinte est muni d'un ou de plusieurs ventilateurs 2 La partie inférieure étanche de l'enceinte sert de bac de récupération 3 pour l'eau de re- froidissement Une canalisation de vidange 4 et une canali- sation d'aspiration 5 sont prévues sur le bac de récupéra- tion La canalisation d'aspiration 5 est reliée à une pompe de circulation 6 dont le r 8 le sera précisé ultérieurement. A la partie haute de l'enceinte est disposé un échangeur 7 constitué de rangées parallèles de tubes à ai- lettes dans lesquels le fluide à refroidir circule de haut en bas. Des rampes 8 de pulvérisateurs sont disposées au- dessus des rangées supérieures de tubes et sont alimentées par l'intermédiaire de la pompe de circulation 6 Les pul- vérisateurs sont répartis selon une disposition en carré. L'ouverture de l'enceinte est munie d'un sépara- teur 9 dans lequel le flux d'air de refroidissement abandon- ne les gouttelettes d'eau-dont il s'est chargé en traversant l'eau pulvérisée. Comme le principe de refroidissement des réfrigé- rants à ventilation forcée est basé sur le fait qu'une par- tie de l'eau de refroidissement est évaporée, on a prévu un circuit de compensation 10 qui est relié à la station de traitement 11 alimentant le réfrigérant en eau de refroidis- sement. L'eau industrielle couramment utilisée dans les installations est généralement chargée en sels minéraux, et suspension de matières organiques Les sels produisent à la surface des tubes échangeurs chauds des déptts qui sont mau- vais conducteurs de la chaleur et les matières organiques facilitent la prolifération d'algues et de mousses dans-les bacs de récupération Afin d'éviter ces inconvénients, l'eau est traitée dans la station'de traitement 11 Les eaux étant généralement chargées en carbonates de calcium, on transfor- me ceux-ci en sulfates plus solubles par acidification à l'acide sulfurique Afin d'éviter la corrosion des parties ferreuses (enceinte, tubes, etc O), on ajoute un inhibiteur de corrosion. La figure 2 représente une partie du réfrigérant selon la coupe II II L'échangeur 7 est formé de tubes horizontaux à ailettes, au moins en partie circulaires, occupant toute la surface de l'enceinte. Selon l'exemple de réalisation représenté, un élémente 12 de l'échangeur, traversé par le fluide à refroi- dir, est constitué par un tube formé de quatre tronçons de tubes à ailettes, parallèles dans le plan vertical (figure 1) et décalé horizontalement comme montré pour les tubes 139 14, 15, 16 (figure 2) Mais l'invention peut s'appliquer également à d'autres cor-figurations Par exemple figure 2 A, -les tronçons de tubes à ailettes sont disposés les uns au- dessus des autres Ces tronçons sont reliés les uns aux au- tres par des coudes soudés à leurs extrémités Le fluide chaud arrive dans un distributeur (non représenté) sur le- quel sont branchées en parallèle les entrées supérieures 17 des éléments 129 18, 19, etc le fluide refroidi est récu- péré dans un collecteur (non représenté) sur lequel sont branchées les sorties inférieures 20 des éléments précédents. L'eau de refroidissement provenant du bac de ré- cupération est envoyée dans des rampes 8 munies à intervalles réguliers de pulvérisateurs 21 produisant un cône de goutte- lettes uniformément réparties dans toute la section horizon- tale Ce résultat est obtenu par un fonctionnement inhabi- tuel des pulvérisateurs et permet un refroidissement unifor- me des tubes se trouvant dans le cône de gouttelettes Les pulvérisateurs connus, utilisés dans les réfrigérants, pro- duisent un cône de gouttelettes dans lequel celles-ci sont réparties selon une couronne laissant une zone intérieure quasiment sèche On conna t, en outre, des pulvérisateurs à la sortie desquels un élément mobile portant des rainures hélico Tdales, permet la formation d'un cène de gouttelettes uniformément réparties Ces dispositifs sont relativement coûteux et leur fiabilité ne permet pas de les utiliser sans contrble. Un pulvérisateur connu, représenté figures 4 et 5, comportant une chambre de tourbillonnement, donne, pour une perte de charge dans le pulvérisateur de O% 75 bar, une enve- loppe conique creuse de fines gouttelettes. Son alimentation par de l'eau pour une perte de charge de 0,2 bar a mis en évidence la formation d'un pincement 23 du jet qui se déploie ensuite sous la forme d'un c 8 ne plein de gouttes plus grosses et uniformément réparties. Le ctne de gouttelettes permet avec une faible consommation d'eau un refroidissement uniforme et efficace des tubes à ailettes. Une autre disposition prise pour augmenter l'ef- ficacité de l'échangeur est l'échancrement de la partie in- férieure des ailettes circulaires des tubes Dans l'exemple représenté, les trois rangées supérieures de tubes à ailet- tes présentent des ailettes modifiées La figure 3 montre en coupe un tube muni d'une ailette échancrée dans sa partie inférieure L'échancrure 24 présente un profil angulaire dans le mode de réalisation illustré par la figure 3 D'au- tres profils pourraient être prévus Ainsi, figure 3 A, l'é- chancrure 24 présente un profil courbe, par exemple sensi- blement circulaire. Les gouttelettes Veau de refroidissement mouil- lent convenablement la rangée supérieure (ou première ran- gée) de tubes à ailettes Par suite du faible espace sépa- rant les ailettes de deux tubes voisins d'une même rangée horizontale, la deuxième rangée n'est que très peu atteinte par les gouttelettes et reçoit presque uniquement l'eau de ruissellement provenant de la rangée supérieure Le phéno- mène se reproduit a fortiori pour les troisième et quatrième rangées Afin que l'eau passe des ailettes d'un tube chaud d'une rangée aux ailettes d'un tube moins chaud voisin d'une rangée immédiatement inférieure, les gouttelettes qui ruis- sellent sur les ailettes viennent se rassembler sous forme de gouttes aux extrémités de l'échancrure et tombent sur les ailettes des tubes voisins de la rangée immédiatement infé- rieure. Le cheminement de l'eau de refroidissement d'une rangée à l'autre est clairement montré figure 2, 2 A L'é- chancrure 24 doit être telle que ses extrémités 25 (saillie formée par le raccordement entre la partie circulaire péri- phérique de l'ailette et l'échancrure) se trouvent à l'aplomb des ailettes des tubes inférieurs correspondants et en pro- jection verticale, entre la paroi du tube (a) et le bord de l'ailette (b). Les dimensions des ailettes et de leur échancru- re sont toutefois tributaires de la compacité de l'échan- geur qui est défini pour permettre une circulation d'air sous faible pression sans perte de charge importante. Le recyclage de l'eau de refroidissement provo- que, malgré la compensation de l'eau évaporée, une concen- tration en sels qui risquerait d'atteindre une valeur telle que le refroidissement s'en trouverait sérieusement dimi- nué; aussi la station de traitement 11 comporte des moyens de dosage de l'acidité de l'eau de refroidissement admise par le circuit de compensation 10 et de rejet contrblé de l'eau de refroidissement recyclée Ce rejet commandé par une vanne 30 permet d'éliminer l'eau trop chargée en sels. L'alimentation en eau traitée permet de compenser le débit d'eau évaporée et le débit de déconcentration Les moyens utilisés, en soi connus et maintenant la concentration en sels à une valeur déterminée, permettent d'obtenir une meil- leure efficacité du réfrigérant. Selon l'exemple de réalisation, l'échangeur com- porte quatre rangées horizontales de tubes, mais il peut ne comporter que deux ou trois rangées, le choix étant dé- terminé par la quantité de chaleur à évacuer. Dans un réfrigérant selon un exemple de réalisa- tion de l'invention, l'échangeur est constitué d'éléments comportant quatre tronçons de tubes à ailettes disposés selon la figure 2 Le tube central a un diamètre extérieur d'environ 25,4 mm ( 1 pouce) et les ailettes, d'environ 57 mm Les tubes sont distants en projection horizontale de mm et en projection verticale, de 55 mm La corde sous- tendue par l'échancrure est de 25 mm et la distance de sa partie centrale au centre du tube, de 17 mm. La vitesse de l'air délivrée par les ventilateurs est comprise entre 2 et 6 m/s. La température d'entrée de l'air est de 15 à 250 C et la température de sortie de l'air humide, de 25 à 3000. La consommation d'eau de refroidissement par m 2 de surface frontale de l'échangeur (c'est-à-dire perpendi- culaire au flux d'air) est: pour l'eau pulvérisée 100 g s-1 m 2 pour l'eau évaporée 20 à 25 g s m pour l'eau recyclée rejetée 20-à 25 g s m 2 Avec les caractéristiques précédentes, la-puis- sance thermique évacuée est de 70 à 80 KW m-2. Par rapport à un réfrigérant sans pulvérisation d'eau de refroidissement, on multiplie le coefficient d'é- change par deux, sans modifier les pertes de charge O REVENDICATIONS 1 Réfrigérant fermé à ventilation forcée et à circuit étanche comportant une enceinte ouverte vers le haut, des moyens-de ventilation forcée, des moyens d'asper- sion d'eau de refroidissement et un circuit échangeur, dans lequel circule le fluide à refroidir, disposé de manière à recevoir l'eau provenant des moyens d'aspersion et traversé par le flux d'air produit par les moyens de ventilation for- çée, l'eau de refroidissement étant recyclée, caractérisé en ce aue le circuit échangeur ( 7) est constitué d'éléments ( 12) formés par des tronçons sensiblement horizontaux de tubes à ailettes, les éléments étant disposés les uns à ct- té des autres en rangées horizontales et en ce que les ai- lettes portent une échancrure dans leur partie inférieure. 2 Réfrigérant selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'échancrure présente un profil angulaire. w Réfrigérant selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'échancrure présente un profil courbe. 4 Réfrigérant selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que l'échancrure d'un tube à ailettes est réalisée de manière à ce que ses extré- mités ( 25) se trouvent à l'aplomb des ailettes des tubes inférieurs correspondants et se projettent verticalement entre la-paroi du tube (a) et le bord de l'ailette (b). Réfrigérant selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes sont, au moins partiellement, circulaires. 6 Réfrigérant selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'aspersion se fait verticalement du haut vers le bas et à contrecourant 3 du flux d'air de refroidissement O 7 Réfrigérant selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'aspersion comportent des pulvérisateurs à chambre de tourbillonnement alimentés sous un écart de pression réduit pour produire un cône plein de gouttes uniformément répar- ties. 1 2543282 8 Réfrigérant selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée ( 17) du fluide chaud est prévue à une extrémité des tronçons supérieurs et la sortie ( 20) du fluide refroidi est pré- vue à une extrémité des tronçons inférieurs.