EP0119934A2 - Réfrigérant fermé à ventilation forcée et à circuit étanche - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F25/00—Component parts of trickle coolers
- F28F25/02—Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
- F28F25/06—Spray nozzles or spray pipes
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- 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
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
Definitions
- the invention relates to a closed refrigerant with forced ventilation and sealed circuit, comprising an enclosure, open upwards, connected to forced ventilation means, means for spraying cooling water, and an exchanger circuit, in which circulates the fluid to be cooled, arranged so as to receive the water coming from the spraying means o
- the fluid is water
- direct evacuation could be envisaged, but this is not possible for many reasons and, in particular, to avoid thermal pollution of rivers or by due to limited water flow.
- the water is then cooled by runoff on steps or racks in an air circulation. Cooling being a function of the height of fall, the refrigerants reach large sizes and the vaporization of part of the water forms mists which create an undesirable micro-climate.
- the refrigerant described above would allow a reduction in dimensions compared to those of conventional towers, and the path of a small amount of vapor in the atmospheric air, resulting in a saving in cooling water and the elimination harmful micro-climates.
- the refrigerant according to the invention has, as known, a tubular exchanger, a sprinkling of cooling, but comprises a continuous tubular exchanger preferably occupying the entire surface swept by the cooling air which can be supplied by mechanical ventilation means.
- the efficiency of the exchanger is further increased by a particular shape of the fins provided on the tubes and by unusual operating conditions of the sprayers allowing uniform wetting of the finned tubes of the exchanger.
- the refrigerant consists of an enclosure 1 of rectangular shape open at its upper end.
- One of the sides of the enclosure is fitted with one or more fans 2.
- the sealed bottom part of the enclosure serves as a collecting tank 3 for the cooling water.
- a drain line 4 and a suction line 5 are provided on the recovery tank.
- the suction line 5 is connected to a circulation pump 6 whose role will be explained later.
- an exchanger 7 consisting of parallel rows of finned tubes in which the fluid to be cooled circulates from top to bottom.
- Ramps 8 of sprayers are arranged above the upper rows of tubes and are supplied via the circulation pump 6.
- the sprayers are distributed in a square arrangement.
- the opening of the enclosure is provided with a separator 9 in which the flow of cooling air leaves the water droplets with which it is charged while passing through the sprayed water.
- a compensation circuit 10 is provided which is connected to the treatment station 11 supplying the refrigerant with water cooling.
- the industrial water commonly used in installations is generally loaded with mineral salts and suspension of organic matter.
- the salts produce deposits on the surface of the hot exchanger tubes which are poor conductors of heat and the organic matter facilitates the proliferation of algae and foam in the recovery tanks.
- the water is treated in the treatment station 11.
- the water being generally loaded with calcium carbonates, these are transformed into more soluble sulfates by acidification with sulfuric acid.
- a corrosion inhibitor is added.
- Figure 2 shows part of the refrigerant according to section II II.
- the exchanger 7 is formed from horizontal tubes with fins, at least partly circular, occupying the entire surface of the enclosure.
- an element 12 of the exchanger through which the fluid to be cooled, consists of a tube formed by four sections of finned tubes, parallel in the vertical plane (FIG. 1) and offset horizontally as shown for tubes 13, 14, 15, 16 ( Figure 2).
- the invention can also be applied to other configurations.
- the sections of finned tubes are arranged one above the other. These sections are connected to each other by elbows welded at their ends.
- the hot fluid arrives in a distributor (not shown) to which the inlets are connected in parallel upper 17 of elements 12, 18, 19, etc.
- the cooled fluid is recovered in a collector (not shown) on which the lower outlets 20 of the preceding elements are connected.
- the cooling water coming from the recovery tank is sent into ramps 8 provided at regular intervals with sprayers 21 producing a cone of droplets uniformly distributed throughout the horizontal section. This is achieved by unusual operation of the sprayers and allows uniform cooling of the tubes in the droplet line.
- sprayers used in refrigerants, produce a cone of droplets in which they are distributed in a ring leaving an interior area almost dry.
- sprayers at the outlet of which a mobile element carrying helical grooves allows the formation of a cone of uniformly distributed droplets.
- a known sprayer represented in FIGS. 4 and 5, comprising a swirl chamber 22, gives, for a pressure drop in the sprayer of 0.75 bar, a hollow conical envelope of fine droplets.
- the droplet cone allows uniform and efficient cooling of the fin tubes with low water consumption.
- FIG. 3A Another arrangement taken to increase the efficiency of the exchanger is the notching of the lower part of the circular fins of the tubes.
- the three upper rows of finned tubes have modified fins.
- Figure 3 shows in section a tube with a fin notched in its lower part.
- the notch 24 has an angular profile in the embodiment illustrated in Figure 3.
- Other profiles could be provided.
- the notch 24 has a curved profile, for example substantially circular.
- the cooling water droplets properly wet the upper row (or first row) of finned tubes. Owing to the small space separating the fins of two neighboring tubes of the same horizontal row, the second row is only slightly affected by the droplets and receives almost only the runoff water coming from the upper row. The phenomenon is reproduced a fortiori for the third and fourth rows. In order for the water to pass from the fins of a hot tube of a row to the fins of a less hot tube adjacent to an immediately lower row, the droplets which stream on the fins come together in the form of drops at the ends of notch and fall on the fins of the tubes next to the next lower row.
- the notch 24 must be such that its ends 25 (projection formed by the connection between the peripheral circular part of the fin and the notch) are plumb with the fins of the corresponding lower tubes and in vertical projection, between the wall of the tube (a) and the edge of the fin (b).
- the dimensions of the fins and their notch are however dependent on the compactness of the exchanger which is defined to allow air circulation under low pressure without significant pressure drop.
- the treatment station 11 comprises means for metering the acidity of the cooling water admitted by the compensation circuit 10 and for controlled discharge of the recycled cooling water.
- This rejection controlled by a valve 30 makes it possible to eliminate the water too loaded with salts.
- the supply of treated water makes it possible to compensate for the flow of evaporated water and the flow of deconcentration.
- the exchanger has four horizontal rows of tubes, but it may have only two or three rows, the choice being determined by the amount of heat to be removed.
- the exchanger consists of elements comprising four sections of finned tubes arranged according to FIG. 2.
- the central tube has an outside diameter of approximately 25.4 mm (1 inch) and the fins, about 57 mm,
- the tubes are distant in horizontal projection of 65 mm and in vertical projection, of 55 mm.
- the cord subtended by the notch is 25 mm and the distance from its central part to the center of the tube, 17 mm.
- the speed of the air delivered by the fans is between 2 and 6-m / s.
- the air inlet temperature is 15 to 25 ° C and the humid air outlet temperature is 25 to 30 ° C.
- the cooling water consumption per m2 of front surface of the exchanger (i.e. perpendicular to the air flow) is:
- the evacuated thermal power is from 70 to 80 KW m- 2 .
- the exchange coefficient is multiplied by two, without modifying the pressure drops.
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Abstract
Description
- L'invention concerne un réfrigérant fermé à ventilation forcée et à circuit étanche, 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 refroidir, disposé de manière à recevoir l'eau provenant des moyens d'aspersiono
- L'utilisation de machines thermiques de grosse puissance par l'industrie et, en particulier, dans les centrales thermiques ou nucléaires de production d'électricité, nécessite l'évacuation de la chaleur dégradée. Ceci est obtenu par circulation d'un fluide caloporteur qui se charge des calories dont on veut se débarrasser.
- Lorsque le fluide est de l'eau, une évacuation directe pourrait être envisagée, mais ceci n'est pas possible pour de nombreuses raisons et, en particulier, pour éviter la pollution thermique des rivières ou par suite d'un débit d'eau limité. L'eau est alors refroidie par ruissellement sur des gradins ou des claies dans une circulation d'air. Le refroidissement étant fonction de la hauteur de chute, les réfrigérants 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 où 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 lesquels 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 feançais n° 2.319.098. Le fluide à refroidir passe dans des échangeurs constitués d'un faisceau de tubes parallèles maintenus entre eux par des ailettes. Plusieurs éohangeurs sont disposés en gradins à l'intérieur d'une tour de refroidissement, de manière que l'axe des tubes fasse un angle compris entre 15° et 45° 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 trajet d'une faible quantité de vapeur dans l'air atmosphérique d'où 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 refroidissement, mais comporte un échangeur tubulaire continu occupant de préférence toute la surface balayée par l'air de refroidissement pouvant être fourni par des moyens mécaniques de ventilation. L'efficacité de l'échangeur est, en outre, augmentée par une forme particulière des ailettes prévues 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 dépôts sur les surfaces d'échange est supprimée par le traitement et le contrôle de débit de l'eau de refroidissement recyclée.
- Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention 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 2A sont des vues 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 3A 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 d'un cône de pulvérisation.
- Le réfrigérant, selon la forme de réalisation représentée schématiquement figure 1, est constitué d'une enceinte 1 de forme rectangulaire ouverte à son extrémité supérieure. Un des côtés 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 refroidissement. Une canalisation de vidange 4 et une canalisation d'aspiration 5 sont prévues sur le bac de récupération. La canalisation d'aspiration 5 est reliée à une pompe de circulation 6 dont le rôle sera précisé ultérieurement.
- A la partie haute de l'enceinte est disposé un échangeur 7 constitué de rangées parallèles de tubes à ailettes 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 pulvérisateurs sont répartis selon une disposition en carré.
- L'ouverture de l'enceinte est munie d'un séparateur 9 dans lequel le flux d'air de refroidissement abandonne les gouttelettes d'eau dont il s'est chargé en traversant l'eau pulvérisée.
- Comme le principe de refroidissement des réfrigérants à ventilation forcée est basé sur le fait qu'une partie 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 refroidissement.
- 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 dépôts qui sont mauvais 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 transforme ceux-ci en sulfates plus solubles par acidification à l'acide sulfurique. Afin d'éviter la corrosion des parties ferreuses (enceinte, tubes,etc...), 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 élément 12 de l'échangeur, traversé par le fluide à refroidir, 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 13, 14, 15, 16 (figure 2). Mais l'invention peut s'appliquer également à d'autres configurations. Par exemple figure 2A, les tronçons de tubes à ailettes sont disposés les uns au-dessus des autres. Ces tronçons sont reliés les uns aux autres par des coudes soudés à leurs extrémités. Le fluide chaud arrive dans un distributeur (non représenté) sur lequel sont branchées en parallèle les entrées supérieures 17 des éléments 12, 18, 19, etc... Le fluide refroidi est récupéré dans un collecteur (non représenté) sur lequel sont branchées les sorties inférieures 20 des éléments précédents.
- L'eau de refroidissement provenant du bac de récupération est envoyée dans des rampes 8 munies à intervalles réguliers de pulvérisateurs 21 produisant un cône de gouttelettes uniformément réparties dans toute la section horizontale. Ce résultat est obtenu par un fonctionnement inhabituel des pulvérisateurs et permet un refroidissement uniforme des tubes se trouvant dans le c8ne de gouttelettes. Les pulvérisateurs connus, utilisés dans les réfrigérants, produisent un cône de gouttelettes dans lequel celles-ci sont réparties selon une couronne laissant une zone intérieure quasiment sèche. On connatt, en outre, des pulvérisateurs à la sortie desquels un élément mobile portant des rainures hélicoïdales, permet la formation d'un cône de gouttelettes uniformément réparties. Ces dispositifs sont relativement coûteux et leur fiabilité ne permet pas de les utiliser sans contrôle.
- Un pulvérisateur connu, représenté figures 4 et 5, comportant une chambre de tourbillonnement 22,donne, pour une perte de charge dans le pulvérisateur de 0,75 bar, une enveloppe 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 cône plein de gouttes plus grosses et uniformément réparties.
- Le cône 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'efficacité de l'échangeur est l'échancrement de la partie inférieure des ailettes circulaires des tubes. Dans l'exemple représenté, les trois rangées supérieures de tubes à ailettes 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'autres profils pourraient être prévus. Ainsi, figure 3A, l'échancrure 24 présente un profil courbe, par exemple sensiblement circulaire.
- Les gouttelettes d'eau de refroidissement mouillent convenablement la rangée supérieure (ou première rangée) de tubes à ailettes. Par suite du faible espace séparant 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 phénomène se reproduit a fortiori pour les troisième et quatrième rangées. Afin que l'eau passe des ailettes d'un tube chaudd'.une rangée aux ailettes d'un tube moins chaud voisin d'une rangée immédiatement inférieure, les gouttelettes qui ruissellent 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 inférieure.
- Le cheminement de l'eau de refroidissement d'une rangée à l'autre est clairement montré figure 2, 2A.
- L'échancrure 24 doit être telle que ses extrémités 25 (saillie formée par le raccordement entre la partie circulaire périphérique de l'ailette et l'échancrure) se trouvent à l'aplomb des ailettes des tubes inférieurs correspondants et en projection verticale, entre la paroi du tube (a) et le bord de l'ailette (b).
- Les dimensions des ailettes et de leur échancrure sont toutefois tributaires de la compacité de l'échangeur qui est défini pour permettre une circulation d'air sous faible pression sans perte de charge importante.
- Le recyclage de l'eau de refroidissement provoque, malgré la compensation de l'eau évaporée, une concentration en sels qui risquerait d'atteindre une valeur telle que le refroidissement s'en trouverait sérieusement diminué; 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 contrôlé 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 meilleure efficacité du réfrigérant.
- Selon l'exemple de réalisation, l'échangeur comporte quatre rangées horizontales de tubes, mais il peut ne comporter que deux ou trois rangées, le choix étant déterminé par la quantité de chaleur à évacuer.
- Dans un réfrigérant selon un exemple de réalisation 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 65 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 25°C et la température de sortie de l'air humide, de 25 à 30°C.
-
- Avec les caractéristiques précédentes, la puissance thermique évacuée est de 70 à 80 KW m-2.
- parrapport à un réfrigérant sans pulvérisation d'eau de refroidissement, on multiplie le coefficient d'échange par deux, sans modifier les pertes de charge.
Claims (8)
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (2)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
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| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
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| 18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 19851225 |
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| RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: BLONDEAU, MICHEL HONORE Inventor name: VIANNAY, STEPHANE GEORGES JEAN-MARIE Inventor name: JANNOT, MARCEL AUGUSTIN JOSEPH |