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DESCRIPTION
Dispositif de garnissage pour installation de mise en contact de liquide et de gaz
La présente invention a pour objet un corps d'échange dans lequel un liquide, généralement de l'eau, est refroidi par un gaz, généralement de l'air atmosphérique.
L'échange de chaleur entre l'eau et l'air peut avoir lieu soit par contact direct, on parle, alors de réfrigérants dits humides, soit par contact à travers une paroi, on parle alors de réfrigérants dits secs.
L'échange de chaleur par contact direct entre l'eau et l'air est beaucoup plus performant que l'échange de chaleur par contact à travers une paroi, grâce à l'absence de paroi et à l'évaporation-transfert de masse de l'eau vers l'air-pouvant se produire en absence de paroi.
Par contre, les réfrigérants dits humides produisent très souvent dans les régions à climat tempéré un panache, nuage blanchâtre, qui s'étend dans l'atmosphère depuis les orifices de rejet d'air de ces réfrigérants. Surtout lorsque les réfrigérants sont à tirage mécanique, le panache se dégage à faible hauteur audessus du sol, pouvant ainsi toucher des bâtiments voisins, et même le sol lorsque le vent rabat, avec les inconvénients connus : formation de verglas, réduction d'ensoleillement, création de brouillard, visibilité réduite, etc.
Dans le but de réduire le panache, les brevets US 3899553 et US 3929935 proposent un corps d'échange ayant une section dite humide et une section dite sèche et l'eau à refroidir
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passe d'abord par la section sèche et ensuite dans la section humide. Un tel corps d'échange est toutefois complexe étant donné qu'il consiste en fait de deux structures indépendantes ; il est donc difficile à réaliser et surtout très coûteux.
Il a également été proposé suivant le brevet allemand (Offenlegungsschrift) 2532544 de constituer le corps d'échange d'un ensemble de plaques, où chaque plaque a une face sèche et l'autre face humide. On réalise ainsi d'une façon simple également une combinaison d'un échange sec et d'un échange humide. Ce type de corps est toutefois assez primitif et ne matérialise pas des sections de passage d'air distinctes, d'une part, sèches, et, d'autre part, humides, et le résultat est que l'air en sort généralement saturé et donc que le panache n'est guère réduit.
Le brevet français 2558581 décrit également un réfrigérant à flux multiples, respectivement humides et secs. Suivant ce document, le corps d'échange est constitué d'un lattage (section humide) et d'un ensemble de tubes (section sèche). Bien que la solution proposée réduit le panache, la construction d'un tel corps est difficile et problématique. En effet, l'utilisation d'un ensemble de tubes provoque un problème de choix de matériaux ; si les tubes sont métalliques, ils sont coûteux et exposés au phénomène de corrosion, s'ils sont en matières plastiques, ils doivent être résistants et donc épais et, par conséquent, mauvais conducteurs de chaleur.
Suivant le brevet allemand DE-AS 2537887 la matérialisation de section humide et section sèche se réalise à l'aide d'un ensemble de plaques, mais avec alimentation en eau d'un espace inter-plaque sur deux. Le type de corps d'échange décrit comprend des chenaux secs et humides distincts, mais la distribution de l'eau dans un chenal sur deux est très difficile à réaliser industriellement et est extrêmement coûteuse.
Une variante et perfectionnement de ce type de corps d'échange est décrit dans le brevet allemand 2840317, suivant le- quel les chenaux secs et humides sont matérialisés par des feuilles
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ondulées. La distribution de l'eau y est toujours très difficile à réaliser et est très coûteuse.
En plus, suivant ces deux publications, les chenaux secs et chenaux humides sont identiques, de sorte que le débit de l'air dans les chenaux humides est moindre que le débit dans les chenaux secs, à cause de la perte de charge plus importante de l'air dans les chenaux humides. Or, pour obtenir un échange thermique important tout en obtenant une réduction de panache suffisante, il faut que le débit d'air humide soit plus grand ou au moins égal au débit de l'air sec.
La présente invention a pour objet de proposer un dispositif de garnissage pour un corps d'échange amélioré permet- tant de réduire efficacement le panache et qui ne souffre plus des inconvénients des corps d'échange connus de l'état de la technique.
Le dispositif de garnissage suivant l'invention, est robuste, simple à construire, de coût réduit, résistant à la corro- sion et possède un bon coefficient d'échange thermique.
Le dispositif de garnissage selon l'invention comprend des chenaux humides et des chenaux secs qui ne sont pas identiques, de façon à permettre un débit d'air humide, dans les chenaux humides, plus grand que le débit d'air sec dans les che- naux secs ou au moins égal à ce débit.
Le dispositif de garnissage proposé suivant l'inven- tion est constitué d'un assemblage de feuilles ondulées en matières plastiques permettant des courants croisés eau/air et pouvant être alimenté hydrauliquement par des dispositifs classiques. Il pré- sente une succession de chenaux d'air, approximativement horizon- taux, alternativement mouillés et secs. Suivant l'invention, les chenaux secs sont différents des chenaux humides quant à leurs lumières, afin de disposer d'un corps d'échange optimum quant au rapport de l'échange humide à l'échange sec, dans le but de maximiser le rapport des performances thermiques à celles relatives à la réduction du panache.
Le corps d'échange suivant l'invention se caractérise par un ensemble de feuilles ondulées ou pliées, comprenant sur une
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face des saillies disposées sur les crêtes des ondulations. Ces feuilles sont assemblées en paires. A cet effet, la deuxième feuille de chaque paire a subi par rapport à la première une rotation de 180 autour d'un axe vertical opposant ainsi leurs ondulations. Les arêtes formées par les creux des ondulations de la face de chaque feuille, opposée à celle portant les saillies, sont fixées l'une sur l'autre sur toute la longueur. L'assemblage peut se faire par tout moyen connu, bien que le collage soit le moyen le plus simple.
Deux paires de feuilles sont assemblées par collage (ou tout autre moyen de fixation) des saillies qui s'opposent. En assemblant ainsi une série de paires, on obtient un corps composé de chenaux fermés, formés par les creux des ondulations des feuilles qui s'opposent, et de chenaux ouverts, formés entre les feuilles contiguës de deux paires.
Lorsque les feuilles sont disposées de façon à ce que les chenaux se présentent horizontalement et qu'on répartit l'eau à refroidir sur la partie supérieure de l'assemblage des feuilles, l'eau pénétrera dans les chenaux ouverts, mais ne pourra pas entrer dans les chenaux fermés. Le courant d'air passe horizontalement et circule dans les chenaux fermés, formant ainsi des chenaux secs, et dans les chenaux ouverts en contact avec l'eau, formant ainsi des chenaux humides.
Selon une forme préférentielle de l'invention, les chenaux d'entrée d'air et les chenaux de sortie d'air sont inclinés, de façon que le courant d'air soit descendant vers les corps d'échange et montant vers l'extérieur. On pourra ainsi empêcher des sorties d'eau par les faces avant et arrière du corps d'échange.
Selon une forme avantageuse de l'invention, les ondulations des feuilles comportent des grandes nervures perpendiculaires à la direction de l'écoulement de l'eau, afin d'améliorer l'efficacité de l'échange thermique. Avantageusement, les feuilles comportent également des nervures courtes, perpendiculaires aux grandes nervures, dans un but d'accroître la rigidité des feuilles.
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D'autres caractéristiques de l'invention résulteront de la description d'un exemple non limitatif, qui sera décrit ci-après en se référant aux dessins annexés qui représentent : - la figure 1 : un schéma d'une partie d'un tour de réfrigération comportant un corps d'échange selon l'invention ; - la figure 2 : une vue en perspective d'une paire de feuilles constituantes d'un corps d'échange selon l'in- vention ; - les figures 3,4, 5, : une section respectivement suivant les lignes A-A, D-D et E-E de la figure 2.
En se référant à la figure 1, celle-ci montre une partie de la paroi 1 d'un tour de réfrigération. Cette tour comporte dans sa partie inférieure un corps d'échange 2, composé de feuilles suivant l'invention, l'eau à refroidir entre par un réseau de tubes 3 pourvus d'ajutages-disperseurs 4, l'eau passe dans le corps d'échange 2 et est collectée dans un bassin 5 pour être recirculée via la conduite 6, le fluide réfrigérant, de l'air en occurrence, passe par les chenaux horizontaux, respectivement humides et secs et, est évacué par la cheminée du tour.
La figure 2 montre un exemple d'une paire de feuilles dont est constitué le corps d'échange. Elle montre une feuille 8 de matière plastique thermoformée, tels PVC, PE, PP, etc... La feuille comporte des ondulations 11, comportant des creux 12 et des crêtes 13 (la vue en perspective représente trois ondulations).
Chaque ondulation comporte plusieurs nervures 14 dans le sens longitudinal de la feuille (désignées ci-après par grandes nervures
14). A des intervalles réguliers, les grandes nervures 14 sont interrompues par des nervures 15 perpendiculaires aux nervures 14 (ces nervures 15 sont désignées ci-après par courtes nervures 15).
A chaque croisement des nervures 14 et des nervures 15 sur la crête de l'ondulation, la feuille comporte une saillie 16 sous forme de téton avec surface plane.
Sur le côté 10 de la feuille, celle-ci est pliée à l'en- droit de la crête de chaque ondulation, afin de former une nervure
17 (désignée nervure oblique 17) qui forme un angle a avec les
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grandes nervures 14, dans un plan vertical et qui correspond en hauteur avec la hauteur des tétons 16. A l'endroit de chaque creux 12, la feuille forme une nervure 19, formant un même angle a avec les grandes nervures 14 que la nervure oblique 17. Cet angle a peut être compris entre 15 et 750.
La vue de la figure 2 montre également une deuxième feuille, 9, identique à la feuille 8 ; la feuille 9 a subi une rotation de 180 autour d'un axe vertical, ainsi les creux 12 des deux feuilles 8 et 9 se touchent. Ils sont collés ensemble sur toute leur longueur. A cause de leurs ondulations, les feuilles 8 et 9 forment des chenaux étanches 18.
Les figures 3 à 5 montrent trois coupes ou sections dans le corps d'échange, faites perpendiculairement aux feuilles de ruissellement, chaque coupe représentant quatre feuilles de ruissellement consécutives, 21,22, 23,24.
Le corps d'échange est constitué d'une succession de feuilles identiques 21,22, 23,24, 21,22, 23,24, etc...
Ces feuilles sont ondulées suivant leur hauteur, la hauteur d'une feuille étant celle du corps d'échange qu'elle constitue avec un ensemble d'autres feuilles identiques lorsque ce corps d'échange est positionné dans un réfrigérant atmosphérique. Chaque feuille du corps d'échange a subi par rapport aux deux feuilles contiguës une rotation de 1800 autour d'un axe vertical, opposant ainsi leurs ondulations. Les feuilles sont symétriques par rapport à un axe vertical.
La figure 4 est celle qui caractérise la masse du corps d'échange. A la partie supérieure du corps d'échange les feuilles 21 et 22 sont hermétiquement collées sur toute leur longueur, en 32, c'est-à-dire dans le sens de passage de l'air lorsque le corps d'échange est positionné dans le réfrigérant.
De même, les feuilles 23 et 24 sont hermétiquement scellées à la partie supérieure du corps d'échange, sur toute leur longueur, en 32. Lorsque le réfrigérant atmosphérique est en service, le corps d'échange est uniformément aspergé d'eau à sa partie supérieure (flèches 33).
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L'eau pénètre dans l'espace entre les feuilles 22 et 23, tandis qu'elle ne peut pas parvenir entre la paire de feuilles précédentes 21,22, ni entre la paire de feuilles suivantes 23,24.
Périodiquement sur leur hauteur, à chaque ondulation, chaque feuille 21 est collée à la feuille 22 contiguë, sur toute sa longueur, en 34, et chaque feuille 23, à la feuille contiguë 24. Les feuilles 21 et 22, d'une part, et 23 et 24, d'autre part, définissent une multitude de chenaux 18, approximativement horizontaux, où l'eau ne pénètre normalement pas, dits chenaux secs.
Par contre, les feuilles 22 et 23 sont toujours bien distantes l'une de l'autre, pour permettre le passage aisé de l'eau, tombant sous l'effet de la gravité.
L'espace entre ces feuilles 22 et 23 varie périodiquement suivant l'ondulation des feuilles, déterminant une multitude de chenaux 35, approximativement horizontaux, chenaux humides, où l'air et l'eau sont en contact direct en courants croisés.
L'espace entre les feuilles 22 et 23 passe périodiquement par un minimum, l'espacement 36, occupé essentiellement par l'eau tombant du chenal humide 35 supérieur au chenal humide 35 inférieur. Les espacements 36 confèrent aux chenaux humides 35 une lumière substantiellement plus grande qu'aux chenaux secs 18, élément caractéristique du corps d'échange, parce qu'il permet d'obtenir une proportion judicieuse entre le débit d'air des chenaux secs, dit flux d'air sec, et celui des chenaux humides, dit flux d'air humide. On remédie ainsi à un grand handicap des corps d'échange connus, où les chenaux secs et humides sont identiques, ce qui pénalise fortement le passage de l'air dans les chenaux humides où passe tout le débit d'eau, ce qui réduit la section effective de passage de l'air.
Ces corps d'échange connus ont des pertes de charge au flux d'air humide nettement plus élevées qu'au flux d'air sec, donnant, par exemple, un flux d'air humide de 40% du débit total d'air (et un flux d'air sec de 60%), alors que pour satisfaire les exigences relatives à la réfrigération et la réduction du panache, il y a intérêt à avoir des débits d'air semblables dans les deux grou-
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pes de chenaux (donc des lumières plus grandes pour les chenaux humides), voire des débits d'air humide supérieurs aux débits d'air sec.
La figure 5 montre que les feuilles 22 et 23 sont, périodiquement sur leur hauteur, solidarisées au niveau des espacements 36, par des tétons 16, collés les uns aux autres. Ces tétons, d'une part, définissent avec précision l'espacement entre les feuilles 22 et 23, et, d'autre part, rigidifient l'ensemble du corps d'échange.
Par contre, les feuilles 21 et 22, d'une part, et 23 et 24, d'autre part, sont pourvues périodiquement sur leur hauteur, au niveau des zones contiguës de solidarisation 34, d'échancrures 37 destinées au drainage de l'eau qui pourrait accidentellement se trouver dans les chenaux secs, provenant, par exemple, d'un trou (blessure) dans une feuille, d'un manque d'étanchéité en 32, ou de la pluie entraînée par l'air pénétrant dans le corps d'échange.
Les nervures 14 sont destinées à améliorer (par rapport à une surface lisse sans nervure) l'efficacité de l'échange thermique (accroissement de surface et création de turbulence) et la répartition de l'eau sur la feuille (ce qui contribue à la bonne efficacité thermique du corps d'échange).
Quant aux nervures 15, perpendiculaires aux ondulations des feuilles, elles sont destinées à accroître la rigidité des feuilles.
Les feuilles constituant le corps d'échange sont terminées latéralement par un profil qui fait fonction de persienne (louvre) du côté de l'entrée d'air, et de séparateur de gouttes du côté de la sortie d'air.
Le profil de ces zones est représenté à la figure 3.
La constitution du corps d'échange par retournement d'une feuille sur deux exige que les profils latéraux soient exactement identiques des deux côtés de chaque feuille. Le rôle de persienne (arrivée d'air) ou de séparateur (sortie d'air) joué par un côté d'une feuille est déterminé par la position de la feuille dans le corps d'échange (nO d'ordre pair ou impair) et par la position du
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corps d'échange dans le réfrigérant atmosphérique (le fonctionnement du réfrigérant atmosphérique est identique par retournement du corps d'échange).
Ici, tous les chenaux d'air, chenaux prolongeant et terminant les chenaux humides 35 et les chenaux secs 18, sont hermétiques entre eux. Les espacements 36 du corps d'échange proprement dit sont réduits à zéro, et remplacées par les collages 41 des feuilles 22 et 23.
Les chenaux d'entrée d'air et de sortie d'air qui correspondent aux chenaux secs 18 sont repérés par la réf. 42 et ceux qui correspondent aux chenaux humides 35, par la réf 44. A partir du corps de feuille, les chenaux 42 et 44 montent vers l'extérieur au moyen des nervures 17 et 19. Les chenaux d'entrée d'air 42 sont donc descendants vers le corps d'échange et ceux de sortie d'air 44 sont montants vers l'extérieur. Leur rôle est d'empêcher les sorties d'eau par les faces avant et arrière du corps d'échange. En effet, ces sorties d'eau provoqueraient des pertes d'eau, ou contraindraient à recueillir cette eau pour la ramener dans le bassin 5 situé sous le corps d'échange.
A la sortie d'air 44, ces pertes d'eau donneraient lieu à d'inacceptables entraînements de gouttelettes par le flux d'air sortant. A l'entrée d'air 44, l'eau des chenaux humides 35 mouilleraient les parois des entrées d'air des chenaux secs 18 et tomberaient devant les orifices de ces chenaux, dont le flux d'air les entraînerait vers l'intérieur, mouillant ces chenaux. Il en résulterait, d'une part, une réduction de l'efficacité dans le contrôle du panache et, d'autre part, une formation de dépôts salins consécutifs à l'évaporation de l'eau entraînée, dépôts pouvant conduire à une forte réduction de la lumière de ces chenaux, voire à leur obstruction. La chute de l'eau à travers les chenaux 35 et les espacements 36 a, en effet, tendance à déborder du corps d'échange par ses faces avant et arrière.
L'inclination vers le haut des chenaux 44 sur une distance suffisante empêche l'eau débordant des chenaux 35 de quitter le corps d'échange latéralement. Cette action est renforcée
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par l'adoption d'une forme particulière pour les chenaux 44 dont la section quadrangulaire, symétrique autour d'un axe vertical, mais dépourvue de symétrie par rapport à tout axe horizontal, présente un angle particulièrement aigu 43 en son point bas, favorisant l'écoulement de l'eau (son retour) vers le corps d'échange.
Le caractère substantiellement horizontal des chenaux d'air, 18 et 35, confère au corps d'échange des pertes de charge du flux d'air plus faibles que celles du corps d'échange dont les chenaux sont obliques.
Le caractère substantiellement vertical de l'écoulement de l'eau confère au corps d'échange une plus faible propension à l'encrassement par rapport à ceux où l'eau zigzague par des chenaux obliques.
Il est clair que l'invention n'est pas limitée à la mise en application de l'exemple décrit et que de multiples variations peuvent être apportées à celui-ci. Ainsi, par exemple, on peut concevoir les nervures d'une façon différente, on peut créer entre les nervures obliques 17 et 19 des nervures supplémentaires, on peut remplacer les tétons par d'autres parties faisant saillie, on peut solidariser les feuilles par d'autres moyens que par collage, etc...