Brevet FR2885680A1 — publié le 20061117

Page 1 DESCRIPTION Domaine technique de l'invention Le refroidissement de fluides chauds avec de l'air atmosphérique est un concept connu et répandu en très grand nombre dans le monde. Ce type de refroidissement joue un rôle très important tant pour le confort de l'homme que pour la fabrication de produits et la chaîne du froid alimentaire. Etat de la technique antérieure problèmes posés: thermiques, techniques et sanitaires Il existe deux principes fondamentaux: - l'un met en contact le fluide chaud avec l'air. C'est le cas où de l'eau chaude à refroidir est mise en écoulement (ruissellement) sur des surfaces traversées par de l'air mû par une ventilation, ou naturelle, ou motorisée. Cette eau est récoltée en partie basse de l'appareil dans un récipient d'où elle est renvoyée par pompe dans le circuit chaud du processus, tel le refroidissement de machines, ou de l'air d'un local (climatisation). - l'autre ne met pas en contact le fluide chaud avec l'air. Dans ce cas, le fluide chaud circule dans des volumes plans (système en plaques) ou à l'intérieur de volumes généralement cylindriques (système tubulaire et multitubulaire), se répartissant en deux familles: - d'une part, les systèmes secs c'est-à-dire que l'air atmosphérique, pris tel quel, circule entre ces surfaces d'échange thermique et se charge de chaleur par convection. - d'autre part, les systèmes mouillés dans lesquels: - ou bien de l'eau s'écoule gravitairement ou est pulvérisée sur les surfaces d'échange, tandis qu'un débit d'air à tirage naturel ou pulsé traverse ces écoulements d'eau en se chargeant d'humidité par évaporation de l'eau, ou bien l'air est pré-humidifié par des rampes de pulvérisation en amont des surfaces d'échange. Or, récemment, il est apparu que de graves maladies pulmonaires, mortelles dans 10 à 20 % des cas, sont créées par des bactéries, en l'occurrence certaines légionella, développées dans des milieux aérobiques humides et qui prolifèrent dans la gamme de températures comprise entre 25 C et 45 C, avec un pic de prolifération à 37 C. Les tours humides de refroidissement sont donc un lieu Page 2 privilégié de développement de souches dangereuses qui sont ensuite transportées vers l'atmosphère par les courants d'air chaud, et pourront être inhalées, à proximité par le personnel de l'usine ou, à distance, par la population. Mais les systèmes secs ne sont pas à l'abri non plus du développement de colonies de bactéries. En effet, par temps de pluie, de l'eau en sursaturation, donc liquide, est entraînée par l'air atmosphérique jusqu'au contact des surfaces d'échanges (Et). Et la présence d'ailettes (Sa) favorise les dépôts en même temps qu'un gradient de température entre celle de l'air et celle du fluide à refroidir favorisant à son tour la prolifération maximale de ces bactéries, de façon localisée, ou par zones surfaciques ou volumiques. La destruction de ces bactéries, par voie thermique à plus de 50 C, ne trouve pas de solution satisfaisante au niveau des échangeurs, non plus que par voie chimique dont l'efficacité est improbable à cause de l'épaisseur variable et souvent considérable (plusieurs millimètres) d'agglomérats de tartre, sédiments, algues et colonies bactériennes mouillés par une sursaturation même momentanée de l'air. La gravité de ce risque sanitaire conduit à remplacer les tours et échangeurs humides par des tours et échangeurs secs . Or, l'intérêt des tours humides est d'ordre économique et technique, et il est très important. En effet, les tours sèches : occupent des volumes et des surfaces plus importants, nécessitent une masse de matériaux de construction (acier ou plastique) plus importante, et leur prix d'achat est donc plus élevé, consomment plus d'énergie électrique, ceci à pouvoir d'échange égal. Les systèmes évaporatifs présentent l'avantage, quand l'air est saturé d'humidité, d'atteindre la température dite de bulbe humide , appelée aussi température humide , c'est-à-dire une température plus basse que la température sèche de l'air. A titre d'exemple: à Paris, la température sèche moyenne la plus élevée se situe en juillet avec 24 C, et une humidité relative moyenne de 68 % . La température humide de l'air vaut alors 19,8 C. Page 3 Supposons que la température du fluide chaud à refroidir soit égale à 40 C, la différence de température entre celle de cet air chaud et l'air de refroidissement vaudra: avec le système sec : delta T = 40 C - 24 C = 16,0 C avec le système humide : delta T = 40 C - 19, 8 C = 20,2 C. En considérant seulement les échanges par convection on voit que la surface d'échange sera nettement moins importante en système humide . Et si l'écart de température entre le fluide refroidi et l'air humide vaut 5 C, la température de l'air à la sortie de l'appareil vaudra: dans le système sec : 24,0 C + 5 C =29,0 C (en zone thermométrique de développement des bactéries). dans le système humide : 19,8 C + 5 C =24,8 C (en dessous de la zone thermométrique théorique de développement des bactéries). soit un écart de 4,2 C Par contre, quand la température sèche de l'air atmosphérique vaut 35 C, en conservant la même teneur en eau, la température humide vaudra 23 C et la température du fluide refroidi vaudra alors: 35 C + 5 C = 40 C dans le système sec : dans le système humide : 23 C + 5 C = 28 C soit un écart de 12 C Dans les deux cas on se trouve dans la zone thermométrique de développement des bactéries, mais nettement plus forte dans le système sec . D'une part, on constate ici un écart très important, ce qui nécessite une surface de chauffe nettement moins importante en système humide . Mais, d'autre part, ceci montre qu'il y a une impossibilité technique dans le cas à sec d'abaisser le fluide chaud en-dessous de 40 C, température inacceptable pour le confort de l'homme, et qui mettrait en panne de nombreux process industriels. Pour obvier ce problème, il faut donc ajouter un système complémentaire de refroidissement par machine frigorifique, d'où sur-investissement, surcoût d'énergie électrique et surcoût de maintenance. Ainsi donc le remplacement de systèmes humides par des systèmes secs contraint à des surcoûts importants, voire conduit à des impossibilités thermiques dont la solution entraîne de sérieuses complications techniques avec des surcoûts globaux finalement considérables. Page 4 On voit que le sujet est très sérieux et l'enjeu très important notamment en matière d'investissement, de consommation d'énergie et d'eau. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes thermiques, ainsi que de réduire considérablement les risques sanitaires des légionella et peut-être même de les éradiquer complètement. Ce dispositif selon l'invention conduit à remplacer les ruissellements d'eau, ou les pulvérisations sur les surfaces d'échange, ou l'utilisation de l'air non humidifié volontairement mais qui peut contenir de l'eau en sursaturation par temps de pluie, par des pulvérisations ou brumisation d'eau (bpe) effectuées de telle façon que l'équilibre air + vapeur d'eau soit homogène dans toute la masse d'air humidifiée (ch) d'une part, et que tout risque d'eau à l'état liquide au contact des surfaces de chauffe soit écarté d'autre part. Les canalisations de pulvérisation ou de brumisage d'eau sous haute pression sont horizontales Elles sont munies d'orifices situés sur, ou près de leur génératrice supérieure, pour éviter un égouttage éventuel. L'invention apporte également un surcroît d'efficacité à tous les systèmes de refroidissement par air à sec en permettant d'utiliser de l'air humidifié tout en éliminant le développement de bactéries qui peuvent s'y produire consécutivement à la présence d'eau sur ces surfaces même de façon discontinue comme par temps de pluie par exemple. Le seul endroit où les dépôts pourront survenir sera celui d'un média (m) constitué d'un panneau fibreux destiné à laisser passer l'air tout en retenant toute trace d'eau à l'état liquide. Le ou les panneaux fibreux, ou media, sont maintenus entre deux grilles (g), une sur chacune de ses faces, pour éviter sa déformation. Les deux grilles sont attachées ensemble et le tout est appuyé sur un cadre en profilés démontables, eux-mêmes fixés dans une boîte rigide (B), en acier ou autre. Ce media est situé en amont de l'échangeur, par exemple multitubulaire. Il est donc dans une zone à basse température puisque toujours à la température de bulbe humide (Ch), donc dans une zone de température à moindre risque ou même à risque nul de développement de bactéries. De plus, ce média (m) et ses supports sont conçus de façon qu'ils soient très facilement démontables (mm) pour ou bien les tremper dans des bains de solution chimique, ou les exposer aux ultraviolets, ou tout autre mode de nettoyage et de désinfection, ou encore pour les remplacer. Si un Utilisateur a la volonté de mettre toutes les chances de son côté pour augmenter encore la sécurité sanitaire dans la recherche du risque zéro , un dispositif est prévu en aval des échangeurs, donc à l'endroit de l'émission de l'air à l'atmosphère après son réchauffement. Ce Page 5 dispositif injecte de la vapeur d'eau sous haute pression donc à haute température, 160 C par exemple, ou de la vapeur sous basse pression mais surchauffée (bpv), afin que les températures locales de ce flux excèdent 50 C. Cette injection se fait sous forme d'un barrage, donc radialement à l'axe d'émission du flux d'air, ou presque. Ce dispositif pourra être alimenté facilement dans l'industrie où la majorité des usines disposent de générateurs de vapeur. Sinon, il peut être prévu une production locale de vapeur par un générateur dédié. Ce dispositif d'injection de vapeur pourra comporter des jets dans des plans inclinés par rapport au plan de symétrie de la couronne de distribution, pour chicaner les jets de vapeur, afin de traiter le flux d'air, par mélange, de façons successives et dans de puissants brassages. Les buses de pulvérisation de la vapeur seront orientées vers l'amont pour l'un des quatre segments de la rampe, vers l'aval pour le segment opposé au premier, et non inclinés pour les deux autres segments. Le débit de vapeur est régulé par une ou plusieurs mesures de température (Ct) du flux d'air en aval de la pulvérisation de vapeur pour asservir la vanne de vapeur (Vrv) à une température du mélange air plus vapeur supérieure à 50 C, laquelle température devra être enregistrée à titre de preuve (traçabilité). Page 6 DESSINS annexés Les dessins N 1 et 2 représentent, en vue cavalière et en coupe-élévation longitudinale, le dispositif, dans ses différentes parties, de l'invention. Le dessin N 3 représente le détail de la canalisation en couronne (c) d'injection de vapeur. En référence à ces dessins le dispositif est placé dans une boîte (B), ou une gaine de dimensions et de forme géométrique quelconques. Le dispositif constitue une succession des moyens à mettre en place pour aboutir aux objectifs de l'invention. Les repères des différents moyens, composants et fonctionnalités, figurent dans la légende ci-après. Les matières utilisées peuvent être, sauf meilleur choix: pour la boîte (B) et la charpente légère interne: des aciers ou autre matériau rigide, les uns et les autres protégés, par traitement ou par nature, de la corrosion. Les canalisations d'eau (CEhp) pourront être en acier inox ou en matière plastique. Les canalisations de vapeur (Cvc) seront en acier inox et, comme leurs accessoires, conformes aux normes qui s'appliquent. Les buses de pulvérisation d'eau (bpe) ou de vapeur (bpv) seront de préférence en métal. Les échangeurs sont ceux des Fabricants puisque le dispositif de l'invention est complémentaire aux matériels existants. Le préfiltre (PFp) est un matériau sur le marché. Le directeur d'air rigide (Ra), les grilles (g) maintenant le media (m), pourront être en acier ou en matière plastique. Le média (m) est un matériau sur le marché. Tous les composants devront être prévus facilement démontables, ou dans l'axe du dispositif, ou latéralement à travers des ouvertures prévues dans la paroi de la boîte (B) ou de la gaîne. Ceci pour assurer une maintenance efficace, savoir leur nettoyage, désinfection, remplacement. - Des regards ou trappes devront permettre, sans devoir stopper l'installation, de vérifier l'état et le bon fonctionnement des différents composants du dispositif. Un éclairage interne judicieux aidera à ces inspections visuelles. Page 7 LEGENDE DES DESSINS N 1, 2 ET 3 ANNEXES É bpe: buses de pulvérisation d'eau É bpv: buses de pulvérisation de vapeur É B: boîte rigide ( acier ou autre) É CEhp: canalisation d'eau haute pression É Cet: chambre d'équilibrage thermodynamique É Ch: chambre d'humidification É Cr: chambre de répartition É Ct: capteur de température É Ctt: chambre de traitement thermique É Cvc: canalisation de vapeur en couronne É Et: échangeur tubulaire É g: grilles rigides É m: média É mm: main de manutention pour la maintenance É pe: profilés de charpente démontables É PEhp: pompe d'eau haute pression É PFp: préfiltre à poussières É Ra: répartiteur d'air rigide É repb: rideau d'eau pulvérisée ou brumisée É rpd: raccord rapide démontable É rv: rideau de vapeur É Sa: surface ailetée É SI: surface lisse É Vrv: vanne de régulation vapeur Page 8 REVENDICATIONS 1. Refroidisseur par air atmosphérique caractérisé en ce qu'il comporte: un dispositif amont , ayant pour objectif d'humidifier l'air atmosphérique et comportant en combinaison: - un directeur d'air rigide (Ra) pour répartir le flux d'air introduit dans une chambre de répartition (Cr), ce dispositif pouvant être précédé d'un préfiltre à poussières (PFp), - un dispositif constituant un volume libre ou chambre de répartition de l'air (Cr), - un dispositif de pulvérisation d'eau ou de brumisation (bpe), qui est situé dans la chambre d'humidification (Ch) et dont les canalisations, horizontales, sont munies d'orifices situés sur, ou près de leur génératrice supérieure pour éviter un égouttage éventuel, pour opposer à l'air un barrage de brouillard d'eau (repb), -un dispositif perpendiculaire au flux d'air comportant un panneau fibreux ou media ( m) destiné à laisser passer l'air tout en retenant toute trace d'eau à l'état liquide, - un dispositif de maintien des panneaux fibreux comportant une grille (g) sur chacune de ses faces pour éviter sa déformation, les deux grilles étant attachées ensemble et le tout appuyé sur un cadre en profilés (pe) eux-mêmes fixés de façon démontable à la boîte (B), - un dispositif situé en aval du panneau fibreux constituant un volume libre où les tourbillons d'air sur une certaine distance permettent l'homogénéisation et l'équilibre thermo dynamique air plus vapeur d'eau avant que le flux d'air humide n'atteigne les échangeurs, par exemple multitubulaires lisses ou à ailettes. 2. Refroidisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs rampes (Cvc) de pulvérisations de vapeur très chaude, ou sous haute pression, ou sous basse pression mais surchauffée, pour former un barrage (rv) au flux d'air extrait du refroidisseur afin que Ies températures locales de ce flux excèdent 50 C pour détruire d'ultimes et éventuelles légionella avant le rejet du flux d'air à l'atmosphère, les buses de la rampe de pulvérisation de la vapeur (bpv) étant faiblement inclinées, vers l'amont pour l'un des quatre segments de la rampe, vers l'aval pour le segment opposé au premier, et non inclinées pour les deux autres segments, provoquant un chicanage à la vapeur induisant des brassages puissants qui augmentent, par mélange, la rapidité de l'homogénéisation de la température de l'air évacué (Ctt), une régulation du débit de vapeur comportant une ou plusieurs mesures de température (Ct) du flux d'air en aval de la pulvérisation de vapeur( Cvc) asservit la vanne de vapeur (Vrv) à une température du mélange air + vapeur supérieure à 50 C, laquelle température devra être enregistrée à titre de preuve (traçabilité).