EP0730131A1 - Dispositif de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur - Google Patents

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EP0730131A1
EP0730131A1 EP96490012A EP96490012A EP0730131A1 EP 0730131 A1 EP0730131 A1 EP 0730131A1 EP 96490012 A EP96490012 A EP 96490012A EP 96490012 A EP96490012 A EP 96490012A EP 0730131 A1 EP0730131 A1 EP 0730131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exchanger
tubes
fins
auxiliary liquid
gas flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96490012A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Didier Lemaire
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kelvion SAS
Original Assignee
GEA Erge Spirale and Soramat SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GEA Erge Spirale and Soramat SAS filed Critical GEA Erge Spirale and Soramat SAS
Priority to EP96490012A priority Critical patent/EP0730131A1/fr
Publication of EP0730131A1 publication Critical patent/EP0730131A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
    • F28D5/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger device and more particularly for cooling a fluid, generally a liquid, or for condensing a vapor. It relates more precisely to a cooling or condensing device in which the exchange is carried out by mechanically ventilated atmospheric air.
  • the exchange function is performed by mechanically ventilated atmospheric air; the corresponding device is an air cooler.
  • the exchange surface is watered so that the heat of the primary fluid both warms the surrounding air and evaporates part of the irrigation water.
  • the device consists of what is commonly known as a closed circuit cooling tower.
  • the heat exchanger is composed of a battery of tubes with transverse fins; spray nozzles spray the external surface of the tubes and the fins with an auxiliary liquid; means are provided to ensure natural or forced circulation of a gas flow through the exchanger.
  • the battery of tubes consists of a set of two tube alignments, said alignments being arranged horizontally, the spray nozzles are placed above said tubes projecting the auxiliary liquid from top to bottom, while the gas flow enters in the device by the lateral and lower sides thereof, enters the exchanger against the current relative to the direction of the sprayed auxiliary liquid.
  • this first embodiment has the disadvantage that the air flow is thwarted by the presence, against the current, of the sprayed auxiliary liquid. This has the effect of increasing the pressure drop and necessitating decreasing the speed of passage of the air.
  • the two alignments of the tubes of the heat exchanger are arranged vertically, along lateral inlets, formed in the lower parts of the device.
  • the spray nozzles are arranged opposite and upstream of the exchanger with respect to the direction of the gas flow. This gas flow which enters the device through its lateral openings goes up towards the upper part of it.
  • this second embodiment has the drawback that the distribution of the auxiliary liquid which is sprayed on the tubes of the exchanger exhibits very great heterogeneity according to the position of each tube.
  • the tubes which are in the upper part of the exchanger are sprinkled exclusively with the auxiliary liquid coming from the nozzles immediately opposite; on the other hand, the tubes arranged in the lower part are watered not only by the liquid coming from the nozzles immediately opposite but also by the liquid flowing naturally from the tubes arranged above.
  • the goal that the applicant has set is to propose a device for cooling a fluid or condensing a vapor, which achieves this combination while overcoming the aforementioned drawbacks.
  • the device of the invention which in known manner comprises a heat exchanger composed of a battery of parallel tubes and with transverse fins, nozzles for spraying an auxiliary liquid on the external surface of the tubes and fins, and mechanical means for forming a gas flow.
  • the bank of tubes of the exchanger is inclined at an angle ⁇ of 5 to 60 ° relative to the vertical, the spray nozzles being arranged above the exchanger and the gas flow having a direction substantially horizontal, so as to first cross the sprayed auxiliary liquid before entering the exchanger.
  • FR.A.2 096 556 describes an indirect type evaporative heat exchanger in which the tube bundle has a slight inclination, but it is an exchanger which differs profoundly from that of the invention. It does not have mechanical means for forming a gas flow, the latter being created by the projection of air into the divergent-shaped duct of the exchanger; the air flow is a function of the water flow injected into the exchanger.
  • the tubes are smooth and not with transverse fins. The inclination of the tube bundle is intended to ensure that the bundle is completely wetted over its entire surface and over its entire depth.
  • the transverse fins are in vertical planes.
  • a high angle ⁇ between 30 and 60 ° has the drawback of increasing the pressure drops, due to the deflection of the air flow in the tube bundle, as will be explained in the example described. It is therefore preferable to aim for an angle ⁇ of lower value, between 5 and 30 or 35 °.
  • the spraying conditions are such that the average diameter of the sprayed drops is less at 120 micrometers.
  • the drops of smaller dimensions having a higher wettability and it is possible to obtain a continuous, homogeneous film of smaller thickness on the exchange surface of the exchanger, which limits the amount of liquid that drips.
  • the thickness of the film for a better exchange yield must be as small as possible.
  • the quantity of liquid evaporated relative to the quantity sprayed is increased being, of the order of 10 to 20%, which has the incidental advantage of limiting the subsequent treatments of liquid to be recycled.
  • each spray nozzle is a pyramid projection nozzle, which is directed perpendicular to the general direction of the battery of tubes, the arrangement of the spray nozzles being determined so as to produce a homogeneous projection of the auxiliary liquid over the entire surface of the 'exchanger.
  • the density of the sprayed auxiliary liquid varies according to the pitch of the transverse fins and according to the thickness of the liquid film which is desired at the surface of these transverse fins.
  • the liquid film must moreover be homogeneous over the entire exchange surface.
  • the surface condition of the fins, of the tubes, and the quality of the liquid are parameters which influence the thickness of the film and therefore the density of the auxiliary liquid.
  • the density of the auxiliary liquid projected by the spray nozzles is between 0.5 and 2.6 m 3 / hm 2 of front section of the exchanger.
  • the front section of the exchanger is called the projection of the surface of the exchanger in the plane perpendicular to the direction of the gas flow.
  • the inclination of the bundle of tubes is such that one of the diagonals of each transverse fin is substantially vertical. Since the distribution of the tubes on a given fin is a symmetrical distribution with respect to such a diagonal, this particular arrangement allows a flow of the liquid film on the two faces of each fin which is equally distributed, which contributes to the desired homogeneity. In conventional constructions of tubular bundles with transverse fins, the width and height of each fin is such that the angle of inclination ⁇ is then between 5 and 35 °.
  • the exchanger tubes are provided with internal means for intensifying the exchange.
  • These may in particular be internal fins of low height, in particular from 0.2 to 0.3 mm. It can also be a wick-type structure fixed to the internal wall of the tube, for example longitudinal linear fibers held in place by helical threads or alternatively random wicks or wicks made of metallic fabric .
  • the means for forming the gas flow consist of a helical fan with a motor at the end of the shaft, the air speed in the front section of the exchanger being between 3.0 and 4, sm / s.
  • the device 1 for cooling a fluid or condensing a vapor uses, for the exchange function, both mechanically ventilated atmospheric air and an auxiliary liquid which evaporates partially on contact with the surface of exchange.
  • the device 1 comprises a chamber 2 with, for the passage of the air flow, an inlet 3 and an outlet 4 which are arranged opposite one another so that the general direction of the air flow has a horizontal direction.
  • the air inlet 3 is provided with a deflector grid 5 preventing the introduction of solid particles inside the chamber 2.
  • the air outlet 4 is equipped, towards the outside of the chamber 2, with a motor-fan 6 which in the example illustrated is a helical fan.
  • a heat exchanger 7, with parallel tubes 8 and provided with transverse fins 9, is arranged obliquely inside the chamber 2, with an inclination which is between 5 and 60 ° relative to the vertical. In the example illustrated in FIG. 1, this angle of inclination ⁇ is 45 °.
  • the arrangement of the exchanger inside the chamber 2 is carried out so that all the air flow entering the chamber 2 must pass through the exchanger 7.
  • the device 1 is equipped with a sprinkler system comprising a motor-pump group 10, pipes 11 and spray nozzles 12.
  • the spray nozzles 12 are arranged between the inlet 3 and the exchanger 7; it is preferably pyramidal spray nozzles, which are arranged over the exchanger 7 so as to ensure a uniform projection of drops thereon.
  • two spray nozzles are shown, one ensuring the watering of the upper part of the exchanger while the other ensures the watering of the lower part, with little overlap between the two zones. watering.
  • a tank 13 for retaining the irrigation water, into which the non-evaporated water is discharged after having passed through the exchanger 7.
  • the motor-pump group 10 comes feed from the water contained in this tank 13. It is equipped with an overflow, a drain, a level regulation device, a deconcentration purge, a supply of make-up water and possibly an anti-freeze device. All of these elements are not shown in the figure.
  • a droplet separator 14 making the entire section of the chamber 2, at the level of the passage of the air flow.
  • the heat exchanger 7 is composed of a battery of tubes 8 parallel and aligned in six or eight rows 15 (of which only three are shown in Figure 1 for clarity).
  • the transverse external fins 9 are continuous flat fins for all the rows.
  • the tubes 8 of the rows are staggered, as illustrated in the figures.
  • the operation of the device 1 is as follows.
  • the air which is sucked in by the helical fan 4 penetrates through the inlet 3, any solid particles being retained by the grid 5, and leaves the device 1 through the outlet 4.
  • the air flow has a substantially horizontal direction (arrow F).
  • the air flow passes through the water coming from the spray nozzles 12 and is therefore loaded with moisture.
  • the direction of the air flow is modified, in accordance with the arrow F 'shown in the figure, the air flow then being perpendicular to the direction of the rows 15 of tubes 8.
  • the air flow returns to its initial horizontal direction.
  • the drops sprayed by the nozzles 12 on the external fins 9 create a film of water on the surface thereof.
  • the heat exchange causes partial evaporation of this film of water.
  • the rest falling back into the retention tank 13 is reinjected, thanks to the motor-pump group 10 into the spray nozzles 12.
  • the water thus evaporated is carried with the air flow to outlet 4.
  • the air flow which is almost completely or completely saturated with water vapor, carries droplets torn from the water film.
  • These droplets are trapped by the separator 14 which can, for example, consist of a set of juxtaposed plates and delimiting between them passages in baffles. The water coming from the separator 14 falls back into the tank 13.
  • the fluid to be cooled or the vapor to be condensed circulates inside the tubes 8 of the exchanger. It is the primary fluid. It is this primary fluid which, thanks in particular to the external fins, will exchange its heat. with the air flow on the one hand and the water spray on the other. In continuous operation, the temperature of the sprayed water is established at a value which is between the temperature of the primary flow and the temperature of the air.
  • the inlet temperature of the primary flow must be less than 100 ° C, while the outlet temperature of the same primary flow can at least be equal to the wet air inlet temperature more than 3 ° C.
  • the quantity of air required to carry out the above-mentioned cooling and / or condensation is calculated as a function of the power to be dissipated and of the inlet and outlet temperatures of the primary flow. Thanks to the device of the invention, it was possible to work with air speeds in the front section of the exchanger 7 between 3.0 and 4.5 m / s. This air speed corresponds to pressure drops of the order of 30 to 50mm of total pressure water column, which allows the use of a helical fan. In case the total fan pressure should be higher, it would be possible to use a centrifugal fan.
  • the amount of spray water is a function of the total area of the external fins 9 and of the pitch, that is to say of the interval separating two successive fins. It also depends on the thickness of the water film which is desired. Under normal spraying conditions, the applicant has found that the amount of spray water must be between 0.8 and 2.6m 3 / hm 2 of exchanger front section. In the case where the sprinkler system does not use carrier fluid, in particular compressed air, the water pressure at the spray nozzles 12 is between 0.5 and 7 bars.
  • the speed of the brine inside the exchanger was 2m / s for a total flow of 100m 3 / h.
  • the cooling air flow rate was 19.2 m 3 / s, the air entering at a temperature of 22.2 ° C and leaving at a temperature of 27.6 ° C.
  • the relative air humidity was 90%; at the exit of the exchanger it was 95%.
  • the front air passage section of the exchanger was 4.75m 2 .
  • the flow rate of the sprayed water was 10m 3 / h with a consumption of 590kg / h.
  • the installed power of two groups of axial fans was 15kW /.
  • tubes 8 provided with internal fins, making it possible to significantly improve the exchange. These were tubes with an outside diameter between 6 and 25mm, with fins of small height, ranging from 0.2 to 0.3mm, helically at 20 °, taken in the mass during the stretching of the tube . With this configuration, the ratio between the external exchange surface and the internal exchange surface was 7.3.
  • the exchanger included 160 tubes 8 distributed in eight rows, slightly offset with respect to each other, so that the tubes 8 are arranged at an equilateral triangular pitch.
  • Each transverse fin 9 is a rectangular plate of width l and height h .
  • the inclination of angle ⁇ of the exchanger 7 is chosen so that the diagonal 16 passing through the vertices 17, 18 respectively the highest and the lowest of each fin 9 has a substantially vertical direction.
  • the angle ⁇ is of the order of 22 °. If we take into account the usual values of l and h in exchangers whose tubes are provided with transverse fins, the angle ⁇ is between 5 and 35 °. As can be seen on examining FIG.
  • this particular arrangement by leading to an equal distribution of the tubes on either side of the diagonal 17, reduces the risks of water accumulation on the tubes located in the lower part of the exchanger.
  • This risk is further reduced by implementing spraying conditions which limit the thickness of the film over the entire exchange surface, while maintaining its continuous nature, namely by spraying drops of small dimensions, less than 120 micrometers per example of 60 to 120 micrometers, knowing that the conventional spray nozzles project drops of the order of 300 micrometers. Thanks to the better wettability of small drops, the projected water density could be lowered between 0.5 and 1m 3 / hm 2 of exchanger front section.
  • the internal means for intensifying the exchange can also consist of attached fins, in particular with helical ribbon or possibly wicks of different shapes, for example longitudinal linear fibers held against the internal surface of the tube by elastic threads. in a spiral, for example randomly interlaced wicks, for example wicks made of a metallic fabric, the chain of which is arranged longitudinally with respect to the general direction of the tube.
  • the external fins can be flat or spiral, crimped or brazed, or possibly taken in the mass or any other device intended to externally increase the exchange surface.
  • the device can operate with drawn air, as is the case in the example illustrated, or even with pushed air.
  • the circulation of the primary fluid inside the tubes of the exchanger is ensured by means of distribution boxes fitted with pipes or else by means of elbows and manifolds fitted with pipes.
  • the primary fluid inlet can be located in the upper part of the exchanger when it is a question of condensing a vapor or in the lower part of the exchanger when it is a question of cooling a fluid.

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Abstract

Le dispositif de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur selon l'invention comprend un échangeur de chaleur (7) dont la batterie de tubes (8) à ailettes transversales est inclinée d'un angle (α) de 5 à 60° et par rapport à la verticale , des buses de pulvérisation (12) disposées au-dessus de l'échangeur (7) et des moyens de formation d'un flux gazeux ayant une direction (F) sensiblement horizontale , en sorte que ledit flux traverse d'abord le liquide auxiliaire pulvérisé avant de pénétrer dans l'échangeur (7) De préférence les tubes (8) de l'échangeur sont pourvus d'ailettes internes de faible hauteur de 0,2 à 0,3mm. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un dispositif échangeur de chaleur et plus particulièrement de refroidissement d'un fluide, généralement liquide, ou de condensation d'une vapeur. Elle concerne plus précisément un dispositif de refroidissement ou de condensation dans lequel l'échange est réalisé par l'air atmosphérique ventilé mécaniquement.
  • Dans le domaine des échangeurs de chaleur, on rencontre deux technologies distinctes. Selon la première technologie , dite sèche, la fonction d'échange est réalisée par de l'air atmosphérique ventilé mécaniquement; le dispositif correspondant est un aéroréfrigérant. Selon la seconde technologie , dite humide, on arrose la surface d'échange de sorte que la chaleur du fluide primaire réalise à la fois le réchauffement de l'air environnant et l'évaporation d'une partie de l'eau d'arrosage. Le dispositif consiste dans ce qui est communément dénommé une tour de refroidissement à circuit fermé.
  • Dans le document FR.2.279.048 on a déjà proposé de combiner ces deux technologies dans le même dispositif . Selon ce document , l'échangeur de chaleur est composé d'une batterie de tubes à ailettes transversales ; des buses de pulvérisation arrosent la surface externe des tubes et des ailettes à l'aide d'un liquide auxiliaire ; des moyens sont prévus pour assurer une circulation naturelle ou forcée d'un flux gazeux à travers l'échangeur.
  • Deux exemples de réalisation sont proposés dans ce document FR.2.279.048. Selon le premier exemple la batterie de tubes consiste en un jeu de deux alignements de tubes , lesdits alignements étant disposés horizontalement, les buses de pulvérisation sont placées au-dessus desdits tubes projetant le liquide auxiliaire de haut en bas, tandis que le flux gazeux rentre dans le dispositif par les flancs latéraux et inférieurs de celui-ci, pénètre dans l'échangeur à contre courant par rapport à la direction du liquide auxiliaire pulvérisé.
  • Selon le demandeur ce premier mode de réalisation présente l'inconvénient que le flux d'air se trouve contrarié par la présence, à contre courant , du liquide auxiliaire pulvérisé. Ceci a pour effet d'augmenter la perte de charge et nécessite de diminuer la vitesse de passage de l'air.
  • Dans le second exemple de réalisation, les deux alignements des tubes de l'échangeur de chaleur sont disposés verticalement , le long d'entrées latérales , ménagées dans les parties basses du dispositif. Les buses de pulvérisation sont disposées en regard de l'échangeur et en amont de celui-ci par rapport à la direction du flux gazeux . Ce flux gazeux qui entre dans le dispositif par ses ouvertures latérales remonte vers la partie supérieure de celui-ci.
  • Selon le demandeur ce second mode de réalisation présente comme inconvénient que la répartition du liquide auxiliaire qui est pulvérisé sur les tubes de l'échangeur présente une très grande hétérogénéité selon la position de chaque tube. En effet les tubes qui se trouvent dans la partie haute de l'échangeur sont arrosés exclusivement du liquide auxiliaire provenant des buses immédiatement en regard ; par contre les tubes disposés dans la partie basse sont arrosés non seulement par le liquide provenant des buses immédiatement en regard mais également par le liquide s'écoulant naturellement des tubes disposés au-dessus.
  • Il est vraisemblable que ce sont ces inconvénients qui sont à l'origine du fait que le procédé décrit dans ce document FR.2.279.048 qui combine ces deux technologies n'a , à la connaissance du demandeur, jamais été appliqué industriellement.
  • Le but que s'est fixé le demandeur est de proposer un dispositif de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur, qui réalise cette combinaison tout en palliant les inconvénients précités.
  • Ce but est parfaitement atteint par le dispositif de l'invention qui de manière connue comprend un échangeur de chaleur composé d'une batterie de tubes parallèles et à ailettes transversales, des buses pour la pulvérisation d'un liquide auxiliaire sur la surface externe des tubes et des ailettes, et des moyens mécaniques de formation d'un flux gazeux.
  • De manière caractéristique , la batterie de tubes de l'échangeur est inclinée d'un angle α de 5 à 60° par rapport à la verticale, les buses de pulvérisation étant disposées au-dessus de l'échangeur et le flux gazeux ayant une direction sensiblement horizontale , en sorte de traverser d'abord le liquide auxiliaire pulvérisé avant de pénétrer dans l'échangeur.
  • L'ensemble de ces caractéristiques permet de pallier les inconvénients des deux exemples précités du dispositif d'écrit dans le document FR.2.279.048.
  • Certes le document FR.A.2 096 556 décrit un échangeur de chaleur à évaporation du type indirect dans lequel le faisceau tubulaire présente une légère inclinaison, mais il s'agit d'un échangeur qui diffère profondément de celui de l'invention. Il ne dispose pas de moyens mécaniques de formation de flux gazeux, ce dernier étant créé par la projection d'air dans le conduit de forme divergente de l'échangeur ; le débit d'air est fonction du débit d'eau injecté dans l'échangeur. Les tubes sont lisses et non à ailettes transversales. L'inclinaison du faisceau tubulaire est destinée à faire en sorte que le faisceau soit complètement mouillé sur toute sa surface et sur toute sa profondeur.
  • Dans le cas présent, les ailettes transversales sont dans des plans verticaux. Le film liquide créé sur les faces de chaque ailette, non évaporé, s'écoule et, grâce à l'inclinaison d'angle α selon l'invention, ne s'accumule pas sur les tubes en partie basse mais tombe en gouttes en dehors du faisceau.
  • Il est cependant à noter qu'un angle α élevé, compris entre 30 et 60° présente l'inconvénient d'augmenter les pertes de charge, du fait de la déviation du flux d'air dans le faisceau tubulaire, comme cela sera expliqué dans l'exemple décrit. Il est donc préférable de viser un angle α de plus faible valeur, compris entre 5 et 30 ou 35 °.
  • Dans ce cas, il est nécessaire que les conditions de pulvérisation soient telles que le diamètre moyen des gouttes pulvérisées soit inférieur à 120 micromètres. Les gouttes de plus faibles dimensions présentant une mouillabilité plus élevée et il est possible d'obtenir un film continu, homogène de plus faible épaisseur sur la surface d'échange de l'échangeur, ce qui limite la quantité de liquide qui s'égoutte. L'épaisseur du film pour un meilleur rendement de l'échange doit être le plus faible possible. Dans les conditions particulières ci-dessus, la quantité de liquide évaporée par rapport à la quantité pulvérisée est augmentée étant, de l'ordre de 10 à 20 %, ce qui présente comme avantage incident de limiter les traitements subséquents de liquide à recycler.
  • Avantageusement chaque buse de pulvérisation est une buse à projection pyramidale, qui est dirigée perpendiculairement à la direction générale de la batterie de tubes , la disposition des buses de pulvérisation étant déterminée en sorte de réaliser une projection homogène du liquide auxiliaire sur toute la surface de l'échangeur.
  • La densité du liquide auxiliaire projeté varie suivant le pas des ailettes transversales et suivant l'épaisseur du film liquide qui est souhaitée en surface de ces ailettes transversales Il faut de plus que le film liquide soit homogène sur toute la surface d'échange. L'état de surface des ailettes, des tubes, et la qualité du liquide sont des paramètres qui influent sur l'épaisseur du film et donc sur la densité du liquide auxiliaire. Avantageusement la densité du liquide auxiliaire projeté par les buses de pulvérisation est comprise entre 0,5 et 2,6m3/h.m2 de section frontale d'échangeur. On appelle section frontale d'échangeur la projection de la surface de l'échangeur dans le plan perpendiculaire à la direction du flux gazeux. Lorsque l'angle α est faible de 5 à 30 ou 35 °, avec des gouttes pulvérisées inférieures à 120 µm, la densité sera d'autant plus faible, entre 0,5 et 1m3/h.m2 de section frontale d'échangeur. Dans une version préférée, l'inclinaison du faisceau des tubes est telle qu'une des diagonales de chaque ailette transversale est sensiblement verticale. Etant donné que la répartition des tubes sur une ailette donnée est une répartition symétrique par rapport à une telle diagonale, cette disposition particulière permet un écoulement du film liquide sur les deux faces de chaque ailette qui soit également réparti, ce qui contribue à l'homogénéité recherchée. Dans les constructions classiques de faisceaux tubulaires à ailettes transversales, la largeur et la hauteur de chaque ailette est telle que l'angle d'inclinaison α est alors compris entre 5 et 35 °.
  • De préférence , les tubes de l'échangeur sont pourvus de moyens internes d'intensification de l'échange. Il peut s'agir notamment d'ailettes internes de faible hauteur, notamment de 0,2 à 0,3mm. Il peut également s'agir d'une structure du type mèche fixée sur la paroi interne du tube, par exemple des fibres linéaires longitudinales maintenues en place par des fils en hélice ou encore des mèches à entrelacement aléatoire ou encore des mèches constituées de tissu métallique.
  • Avantageusement les moyens de formation du flux gazeux consistent en un ventilateur hélicoïde avec moteur en bout d'arbre , la vitesse de l'air dans la section frontale de l'échangeur étant comprise entre 3,0 et 4,sm/s.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple préféré de réalisation du dispositif de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur à batterie d'échangeur inclinée, illustré dans le dessin annexé dans lequel :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif,
    • et la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un échangeur.
  • Le dispositif 1 de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur utilise, pour la fonction d'échange, à la fois de l'air atmosphérique ventilé mécaniquement et un liquide auxiliaire s'évaporant partiellement au contact de la surface d'échange. Le dispositif 1 comprend une chambre 2 avec, pour le passage du flux d'air, une entrée 3 et une sortie 4 qui sont disposées à l'opposé l'une de l'autre de sorte que la direction générale du flux d'air ait une direction horizontale.
  • L'entrée 3 d'air est munie d'une grille à déflecteur 5 évitant l'introduction de particules solides à l'intérieur de la chambre 2.
  • La sortie d'air 4 est équipée, vers l'extérieur de la chambre 2, d'un moto-ventilateur 6 qui dans l'exemple illustré est un ventilateur hélicoïde.
  • Un échangeur de chaleur 7, à tubes 8 parallèles et munis d'ailettes transversales 9, est disposé obliquement à l'intérieur de la chambre 2, avec une inclinaison qui est comprise entre 5 et 60° par rapport à la verticale. Dans l'exemple illustré à la figure 1, cet angle α d'inclinaison est de 45°. La disposition de l'échangeur à l'intérieur de la chambre 2 est réalisée en sorte que tout le flux d'air entrant dans la chambre 2 passe obligatoirement à travers l'échangeur 7.
  • Le dispositif 1 est équipé d'un système d'arrosage comportant un groupe moto-pompe 10, des tuyauteries 11 et des buses de pulvérisation 12. Les buses de pulvérisation 12 sont disposées entre l'entrée 3 et l'échangeur 7 ; il s'agit de préférence de buses à pulvérisation pyramidale, qui sont disposées par dessus l'échangeur 7 en sorte d'assurer une projection homogène de gouttes sur celui-ci. Dans l'exemple illustré, on a représenté deux buses de pulvérisation, l'une assurant l'arrosage de la partie haute de l'échangeur tandis que l'autre assure l'arrosage de la partie basse, avec faible recoupement entre les deux zones d'arrosage.
  • A la partie inférieure de la chambre 2 est prévu un bac 13 de rétention de l'eau d'arrosage , dans lequel vient se déverser l'eau non évaporée après être passée à travers l'échangeur 7. Le groupe moto-pompe 10 vient s'alimenter à partir de l'eau contenue dans ce bac 13. Celui-ci est équipé d'un trop-plein , d'une vidange, d'un dispositif de régulation de niveau, d'une purge de déconcentration, d'une arrivée d'eau d'appoint et éventuellement d'un dispositif anti-gel. Tous ces éléments ne sont pas représentés sur la figure.
  • Entre l'échangeur 7 et la sortie d'air 4 est prévu un séparateur de gouttes 14 faisant toute la section de la chambre 2, au niveau du passage du flux d'air.
  • L'échangeur de chaleur 7 est composé d'une batterie de tubes 8 parallèles et alignés suivant six ou huit rangées 15 (dont seulement trois sont représentées sur la figure 1 par souci de clarté). Les ailettes externes transversales 9 sont des ailettes plates continues pour toutes les rangées.Les tubes 8 des rangées sont disposés en quinconce, comme illustré aux figures.
  • Le fonctionnement du dispositif 1 est le suivant. L'air qui est aspiré par le ventilateur hélicoïde 4 pénètre par l'entrée 3 , les éventuelles particules solides étant retenues par la grille 5, et sort du dispositif 1 par la sortie 4. Entre l'entrée 3 et la sortie 4, le flux d'air a une direction sensiblement horizontale (flèche F).
  • En amont de l'échangeur 7 , le flux d'air traverse l'eau provenant des buses 12 de pulvérisation et se charge donc en humidité. Dans l'échangeur proprement dit , la direction du flux d'air est modifiée , conformément à la flèche F' portée sur la figure, le flux d'air étant alors perpendiculaire à la direction des rangées 15 de tubes 8. A la sortie de l'échangeur, le flux d'air reprend sa direction horizontale initiale.
  • Les gouttes pulvérisées par les buses 12 sur les ailettes externes 9 créent à la surface de celles-ci un film d'eau. L'échange de chaleur provoque une évaporation partielle de ce film d'eau. En pratique de l'ordre de 5 à 10% de l'eau pulvérisée est évaporée, le reste retombant dans le bac 13 de rétention est réinjecté , grâce au groupe moto-pompes 10 dans les buses de pulvérisation 12. L'eau ainsi évaporée est emportée avec le flux d'air vers la sortie 4.
  • En plus de l'évaporation proprement dite, le flux d'air qui est presque complètement ou complètement saturé en vapeur d'eau, véhicule des gouttelettes arrachées au film d'eau. Ces gouttelettes sont piégées par le séparateur 14 qui peut par exemple être constitué d'un ensemble de plaques juxtaposées et délimitant entre-elles des passages en chicanes. L'eau provenant du séparateur 14 retombe dans le bac 13.
  • Le fluide à refroidir ou la vapeur à condenser circule à l'intérieur des tubes 8 de l'échangeur. Il s'agit du fluide primaire. C'est ce fluide primaire qui grâce notamment aux ailettes externes va échanger sa chaleur avec d'une part le flux d'air et d'autre part l'eau pulvérisée. En fonctionnement continu, la température de l'eau pulvérisée s'établit à une valeur qui est comprise entre la température du flux primaire et la température de l'air. La température d'entrée du flux primaire doit être inférieure à 100°C, tandis que la température de sortie du même flux primaire peut au minimum être égale à la température humide d'entrée d'air plus de 3°C.
  • Par exemple, si l'on veut refroidir de l'eau glycolée à 30% depuis une température d'entrée de 35°C jusqu'à une température de sortie de 30°C, cela peut être réalisé avec de l'air à 30°C et 45% d'humidité relative, ce qui correspond à une température humide de 21°C.
  • Dans un autre exemple il est possible de condenser, également avec de l'air à 30°C et 45% d'humidité relative soit une température humide de 21°C, un gaz surchauffé qui entre dans l'échangeur à 70°C, se refroidit et se condense jusqu'à 32°C puis se condense complètement à température constante de 32°C. Et enfin la température du liquide condensé est encore abaissée de 3°C, ledit liquide sortant de l'échangeur à 29°C.
  • La quantité d'air nécessaire pour réaliser le refroidissement et/ou la condensation précitée est calculée en fonction de la puissance à dissiper et des températures d'entrée et de sortie du flux primaire. Grâce au dispositif de l'invention, il a été possible de travailler avec des vitesses d'air dans la section frontale de l'échangeur 7 comprise entre 3,0 et 4,5 m/s. Cette vitesse d'air correspond à des pertes de charge de l'ordre de 30 à 50mm de colonne d'eau de pression totale, ce qui permet d'utiliser un ventilateur hélicoïde. Dans le cas où la pression totale du ventilateur devrait être plus élevée, il serait possible d'utiliser un ventilateur centrifuge.
  • La quantité d'eau de pulvérisation est fonction de la surface totale des ailettes externes 9 et du pas , c'est-à-dire de l'intervalle séparant deux ailettes successives. Elle est également fonction de l'épaisseur de film d'eau qui est souhaitée. Dans des conditions normales de pulvérisation, le demandeur a constaté que la quantité d'eau de pulvérisation doit être comprise entre 0,8 et 2,6m3/h.m2 de section frontale d'échangeur. Dans le cas où le système d'arrosage ne met pas en oeuvre de fluide porteur, notamment d'air comprimé , la pression d'eau au niveau des buses de pulvérisation 12 est comprise entre 0,5 et 7 bars.
  • Dans l'exemple précité de refroidissement d'eau glycolée à 30% d'une température d'entrée de 35°C et une température de sortie de 30°C, la vitesse de l'eau glycolée à l'intérieur de l'échangeur était de 2m/s pour un débit total de 100m3/h. Le débit d'air de refroidissement était de 19,2m3/s, l'air entrant à une température de 22,2°C et sortant à une température de 27,6°C. Après entrée dans l'échangeur, l'humidité relative de l'air était de 90%; à la sortie de l'échangeur elle était de 95%. La section frontale de passage d'air de l'échangeur était de 4,75m2. Le débit de l'eau pulvérisée était de 10m3/h avec une consommation de 590kg/h. La puissance installée de deux groupes de ventilateurs hélicoïdes était de 15kW/.
  • Dans cet exemple de réalisation, on avait utilisé des tubes 8 munis d'ailettes internes, permettant d'améliorer sensiblement l'échange. Il s'agissait de tubes ayant un diamètre extérieur compris entre 6 et 25mm, avec des ailettes de faible hauteur, allant de 0,2 à 0,3mm, en hélice à 20°, prises dans la masse lors de l'étirage du tube. Avec cette configuration, le rapport entre la surface d'échange extérieure et la surface d'échange intérieure était de 7,3.
  • Dans le second exemple illustré à la figure 2, l'échangeur comportait 160 tubes 8 répartis en huit rangées , légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, de sorte que les tubes 8 sont disposés au pas triangulaire équilatéral. Chaque ailette transversale 9 est une plaque de forme rectangulaire de largeur l et de hauteur h. L'inclinaison d'angle α de l'échangeur 7 est choisie en sorte que la diagonale 16 passant par les sommets 17, 18 respectivement le plus haut et le plus bas de chaque ailette 9 a une direction sensiblement verticale. Dans l'exemple illustré à la figure 2, l'angle α est de l'ordre de 22°. Si l'on prend en considération les valeurs habituelles de l et h dans les échangeurs dont les tubes sont munis d'ailettes transversales, l'angle α est compris entre 5 et 35 °. Comme on peut le voir à l'examen de la figure 2, cette disposition particulière , en conduisant à une répartition égalitaire des tubes de part et d'autre de la diagonale 17, diminue les risques d'accumulation de l'eau sur les tubes situés en partie basse de l'échangeur. Ce risque est encore diminué en mettant en oeuvre des conditions de pulvérisation qui limitent l'épaisseur du film sur toute la surface d'échange, tout en maintenant son caractère continu, à savoir en pulvérisant des gouttes de faibles dimensions, inférieures à 120 micromètres par exemple de 60 à 120 micromètres, sachant que les buses de pulvérisation classiques projettent des gouttes de l'ordre de 300 micromètres. Grâce à la meilleure mouillabilité des gouttes de faibles dimensions, la densité d'eau projetée a pu être abaissée entre 0,5 et 1m 3/h.m2 de section frontale d'échangeur. Ceci présente l'avantage d'une plus faible consommation et donc de traitement d'eau, et surtout d'une plus grande proportion d'eau évaporée par rapport à la quantité totale d'eau projetée, proportion qui peut aller de 10 à 20 %. De plus un angle α faible diminue les pertes de charge provoquées par le changement de direction du flux d'air à travers l'échangeur.
  • Il est rappelé que la quantité de l'échange nécessite que le film d'eau créé sur la surface d'échange reste continu. Sinon, cela se traduit par des zones sèches avec des dépôts des sels contenus dans l'eau de pulvérisation, dépôts qui augmentent la rugosité de la surface correspondante et donc la difficulté à créer un film d'eau continu.
  • La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple non limitatif. En particulier les moyens internes d'intensification de l'échange peuvent consister également dans des ailettes rapportées, notamment à ruban en hélice ou éventuellement des mèches de différentes formes , par exemple des fibres linéaires longitudinales maintenues contre la surface interne du tube par des fils élastiques en spirale, par exemple des mèches à entrelacement aléatoire, par exemple des mèches constituées d'un tissu métallique dont la chaîne est disposée longitudinalement par rapport à la direction générale du tube.
  • Par ailleurs les ailettes externes peuvent être plates ou en spirales, serties ou brasées , ou éventuellement prises dans la masse ou encore tout autre dispositif destiné à augmenter extérieurement la surface d'échange. Le dispositif peut fonctionner avec de l'air tiré, comme c'est le cas dans l'exemple illustré, ou encore avec de l'air poussé.
  • La circulation du fluide primaire à l'intérieur des tubes de l'échangeur est assurée grâce à des boîtes de distribution équipées de tubulures ou encore grâce à des coudes et des collecteurs équipés de tubulures. L'entrée du fluide primaire peut être située dans la partie haute de l'échangeur lorsqu'il s'agit de condenser une vapeur ou dans la partie basse de l'échangeur lorsqu'il s'agit de refroidir un fluide.

Claims (9)

  1. Dispositif de refroidissement d'un fluide ou de condensation d'une vapeur comprenant un échangeur de chaleur composé d'une batterie de tubes parallèles et à ailettes transversales , des buses pour la pulvérisation d'un liquide auxiliaire sur la surface externe des tubes et des ailettes , et des moyens mécaniques de formation d'un flux gazeux, caractérisé en ce que , la batterie de tubes (8) de l'échangeur (7) est inclinée d'un angle (α) de 5 à 60° par rapport à la verticale , les buses de pulvérisation (12) étant disposées au-dessus de l'échangeur (7) et le flux gazeux ayant une direction (F) sensiblement horizontale , en sorte de traverser d'abord le liquide auxiliaire pulvérisé avant de pénétrer dans l'échangeur (7).
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que , chaque buse (12) de pulvérisation est une buse à projection pyramidale, qui est dirigée perpendiculairement à la direction générale de la batterie de tubes, la disposition des buses (12) de pulvérisation étant déterminée en sorte de réaliser une projection homogène du liquide auxiliaire sur toute la surface de l'échangeur.
  3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que , l'angle d'inclinaison (α) est tel que les diagonales (16) joignant les sommets les plus hauts (17) et les plus bas (18) des ailettes transversales de forme rectangulaire sont sensiblement verticales.
  4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que , la densité du liquide auxiliaire projeté par les buses (12) de pulvérisation est comprise entre 0,5 et 2,6m3/h.m2 de section frontale d'échangeur.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que , l'angle d'inclinaison (α) est compris entre 5 et 35 ° et en ce que le liquide pulvérisé est sous forme de gouttes de dimensions moyennes inférieures à 120 micromètres.
  6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que, la densité du liquide auxiliaire projetée par les buses (12) de pulvérisation est comprise entre 0,5 et lm3/h.m2 de section frontale d'échangeur.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que , les tubes (8) de l'échangeur sont pourvus de moyens internes d'intensification de l'échange.
  8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que , les moyens internes d'intensification de l'échange sont des ailettes internes de faible hauteur de 0,2 à 0,3mm.
  9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que , les moyens de formation du flux gazeux consistent en un ventilateur hélicoïde, la vitesse de l'air dans la section frontale de l'échangeur étant comprise entre 3,0 et 4,5m/s.
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