Echangeur de chaleur par évaporation
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur par évaporation, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'éléments pour former un plafond humide en vue d'établir une surface de contact entre l'eau et l'air dans l'échangeur, cet ensemble comprenant plusieurs éléments parallèles, chaque élément étant sous forme d'une bande qui comporte, quand on l'observe en coupe, des parties marginales dirigées verticalement et réunies par une partie centrale courbe et des moyens de maintien s'ajustant sur l'échangeur et maintenant les éléments en espacement horizontal.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe d'un module que comprend cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe en bout de deux modules selon la fig. 1, placés dos à dos.
La fig. 3 est une vue de côté d'ensemble de cette première forme d'exécution.
La fig. 4 est une coupe à plus grande échelle selon la ligne 4-4 de la fig. 3.
La fig. 5 est une coupe selon la ligne 5-5 de la fig. 2.
La fig. 6 est une vue partielle en perspective d'un organe de cette forme d'exécution.
La fig. 7 est une coupe verticale en bout d'un ensemble représenté aux fig. 1 et 2.
La fig. 8 est une vue en perspective d'un seul élément superficiel représenté sur la fig. 7.
La fig. 9 est une vue en perspective d'un cadre représenté à la fig. 8.
La fig. 10 est une vue de dessus de ce cadre et d'organes que comprend cette forme d'exécution.
Aux fig. 1 à 3, un échangeur de chaleur comporte une tour de refroidissement qui comprend une partie supérieure 10 dans laquelle de l'eau est refroidie et une partie inférieure 11 sous forme d'une cuvette profilée en V dans lequel l'eau est recueillie. La partie supérieure 10 est rectangulaire et est formée d'un certain nombre de châssis modulaires superposés de façon à former quatre parois verticales.
La cuvette inférieure 11 présente deux parois verticales opposées 12 et 13 dans le plan de deux des parois latérales de la partie supérieure et, entre ces parois, une paroi 14 qui est inclinée à 450 sur la verticale et qui coupe les parois 12 et 13 de façon à délimiter avec elles la cuvette 11 en V. L'eau à refroidir est introduite à travers un collecteur 16 et s'échappe à travers divers ajutages de pulvérisation 17 avant de retomber par gravité à travers une zone de refroidissement qui contient une surface de plafond humide sous forme d'un grand nombre d'éléments en tôle 18 maintenus par des châssis en espacement horizontal et vertical de façon à présenter ensemble à l'eau une grande surface de contact.
L'eau s'écoule d'abord à travers la zone de refroidissement dans laquelle elle vient en contact avec les divers éléments en tôle 18 puis elle tombe par gravité dans la cuvette 11 en V. Bien que le plafond humide ait été décrit en combinaison avec une cuvette 11 en V, il est évident qu'on pourrait utiliser un autre plafond humide ou une autre surface d'échange de chaleur par évaporation en combinaison avec cette cuvette en V.
L'échangeur représenté sur les fig. 1 à 3 est équipé de ventilateurs centrifuges qui obligent l'air à circuler vers le haut entre les éléments 18 à contre-courant par rapport à l'eau qui tombe, à la suite de quoi une partie de l'eau s'évapore et est entraînée vers le haut avec le courant d'air avant de quitter l'appareil à travers des éléminateurs de brouillard 19 montés au sommet de l'installation. La chaleur extraite de l'eau restante est naturellement entraînée avec l'air d'échappement vers l'atmosphère environnante. Comme il a été dit, l'eau refroidie tombe dans la cuvette. L'eau d'appoint est admise à travers un robinet 20 dont l'ouverture se fait par l'entremise d'un flotteur 21 (fig. 2) et elle remplace l'eau évaporée ainsi que l'eau usée qui a été vidangée pour réduire la contamination, etc.
L'eau refroidie est soutirée de la cuvette 11 par un conduit 22 et est transférée à l'aide d'une pompe 23 et d'un conduit 24 vers l'échangeur de chaleur 25. Après utilisation, l'eau a absorbé de la chaleur et doit donc être renvoyée dans l'installation de refroidissement pour être refroidie. Ce retour se fait par un conduit 26 qui aboutit au collecteur 16.
Etant donné que la partie inférieure de la cuvette 1 1 en V a un volume très faible, une très petite quantité d'eau seulement est présente dans cette cuvette, ce qui constitue un avantage certain pour réduire la charge supportée par la surface de soutien qui reçoit l'appareil.
Non seulement le profil en V réduit la quantité de l'eau mais, il permet également de placer des ventilateurs 29 sensiblement en dedans de la projection verticale du plan rectangulaire de la partie supérieure 10 de l'appareil, et cette forme en V contribue à augmenter la pression statique dans la cuvette. Il est, bien entendu, souhaitable que les ventilateurs soient entièrement placés sous la paroi inclinée, quand cela est possible. Si toutefois on utilise un ventilateur de grande dimension, par suite des exigences indispensables pour la construction, un certain dépassement au-delà de la paroi latérale de l'appareil peut être toléré.
La répartition de l'air dans le cas d'un appareil à plusieurs ventilateurs, montré à la fig. 5, sera décrite en détail ci-après. L'installation comporte deux modules comprenant chacun trois ventilateurs centrifuges, à savoir un module de gauche dont le ventilateur le plus proche est indiqué par la référence 28, et un module de droite dont le ventilateur le plus proche porte la référence 29. Le ventilateur 29 et les deux ventilateurs 30 et 31 placés derrière lui sont clavetés à un arbre d'entraînement commun 32 et cet arbre porte également, calée sur lui, une poulie 33 reliée par des courroies 34 à une poulie d'entraînement 35 d'un moteur électrique 36. Le moteur 36 est monté sur une plaque de base 37 qui coulisse dans des rails 38. Une console 39 reliée à la plaque de base 37 est traversée par une tige filetée 40.
Cette tige filetée traverse également une pièce 41 profilée en U qui est la pièce inférieure du châssis de l'ensemble de support des ventilateurs et du moteur. La tige filetée 40 porte des écrous 42 dont le réglage permet de déplacer aisément et de maintenir en position la monture du moteur en vue de régler la tension des courroies 34.
Un agencement identique est prévu pour le ventilateur 28 et pour les deux ventilateurs disposés derrière lui. Le moteur est indiqué par la référence 44, l'ensemble de réglage des courroies porte la référence 45, la poulie est indiquée par 46 et l'arbre d'entraînement commun est désigné par 47.
Tous les ventilateurs centrifuges sont du type à aspiration axiale et à refoulement radial.
A la fig. 3, l'arbre 32 est muni d'un palier avant principal 48 à la gauche du ventilateur 29 tandis qu'à l'extrémité de l'arbre 32 éloigné de la poulie 33 est monté un autre palier principal 50. Du fait qu'on utilise un arbre de plus grand diamètre entre les paliers 48 et 50, ces deux paliers sont suffisants et aucun autre palier intermédiaire n'a besoin d'être monté entre les ventilateurs associés à un seul arbre. Les paliers 48 et 50 sont maintenus par des armatures rigides 51 et 52 qui s'étendent entre les éléments de base 41 profilés en U et la paroi 14. Les flancs 53, 54, 55, de chaque ventilateur sont triangulaires, sont disposés en parallèle et s'étendent verticalement de la partie inférieure de l'appareil à la paroi inclinée 14 de la section des plateaux.
Le refoulement de chaque ventilateur est raccordé à une gaine d'air qui traverse la paroi inclinée correspondante 15, 14 et se termine dans une embouchure disposée pratiquement dans un plan vertical mais légèrement incliné dans une direction opposée à l'inclinaison de la paroi 14 ou 15 correspondante à travers laquelle passe la gaine. La gaine associée au ventilateur 29 présente une partie 58 située entièrement en dedans de la cuvette 11. Le ventilateur 30 présente une gaine 59 en dedans de la cuvette tandis que le ventilateur 31 présente une gaine 60. A la fig. 5, les gaines 61 et 62 dans la cuvette 1 1 desservent les deux ventilateurs ne portant pas de numéro de référence qui sont situés derrière le ventilateur 28, quand on observe la fig. 2 et qui sont disposés à côté de ce ventilateur.
Toutes ces gaines sont de construction identique et comportent en général une section transversale rectangulaire et c'est pourquoi on se contentera de décrire en détail la gaine associée au ventilateur 29.
Sur la fig. 4, l'aire totale de la gaine 58 du ventilateur 29 est délimitée par la paroi 53 (non représentée sur la fig. 4), la paroi parallèle 54, une paroi courbe 65 entre les parois 53 et 54, s'étendant en spirale depuis la découpe 63 à travers la paroi latérale 14 de la cuvette pour se terminer en 66, un rebord 68 et la partie de gaine 58. Les deux extrémités, c'est-à-dire l'extrémité découpée en 63 et l'extrémité 66, de la paroi spiralée 65 sont admises télescopiquement dans la gaine 58 qui est fixée par ses brides 68 à la surface intérieure de la paroi 14 de la cuvette 11.
Le trajet de l'air, délimité par les parois 53, 54, 65 et la gaine supplémentaire 58 ainsi que le rebord 68, a une section transversale progressivement croissante dans le sens de l'écoulement de l'air de sorte qu'une très forte conversion de la pression dynamique en pression statique est réalisée entre la découpe 63 et l'ouverture 64 de la gaine. On remarquera que le ventilateur 29 qui est représenté sur la fig. 4 tourne dans le sens sinistrorsum.
Dans l'installation comportant des appareils dos à dos, la cuvette 11 (voir fig. 2, 4 et 5) est divisée dans son centre par une cloison 69 qui s'étend entre les parois 12 et 13 et à partir du sommet du plateau vers le bas et jusqu'à un point situé légèrement au-dessous du niveau de l'eau dans la cuvette. Au-dessous de l'extrémité inférieure de la cloison 69, est montée une chicane 70 d'antientraînement d'air qui s'étend horizontalement en travers du fond de la cuvette au-dessus du niveau de la conduite de sortie 22. La chicane 70 sert également à égaliser l'élimination de l'eau de la cuvette 1 1 car cette chicane est inclinée de manière à présenter une ouverture plus large au passage de l'eau sur l'extrémité éloignée de la sortie. Directement au-dessus de la chicane 70 peut être installée une crépine supportée par des équerres.
Aux fig. 1, 2 et 5, l'air qui sort des embouchures des divers conduits 57 à 62 est envoyé dans un espace quelque peu confiné limité dans le bas par le niveau de l'eau, devant l'embouchure de la gaine, par la cloison 69, et derrière la gaine par la paroi inclinée 14 ou 15, selon le cas. Bien qu'une certaine augmentation de la pression statique se manifeste avant que l'air ne sorte des divers conduits 57 à 62, toujours est-il que la vitesse de l'air à la sortie des embouchures de ces conduits est trop élevée pour permettre une distribution efficace et régulière de l'air sur la section transversale du remplissage se trouvant au-dessus de la cuvette 11 en V.
L'un des moyens qui contribuent à la régularité de la distribution de l'air sur la section transversale du remplissage consiste dans le fait que la partie de la cuvette au-dessus de la sortie du ventilateur présente une section transversale croissante à mesure que l'air progresse vers le haut à partir de l'embouchure du conduit du ventilateur. I1 en est évidemment ainsi du fait que la cloison centrale 69 forme avec la paroi inclinée 14 une zone dont la forme réelle est celle d'un triangle rectangle inversé, quand on l'observe en section verticale, de sorte que l'air qui s'éloigne du fond de la cuvette et remonte doit obligatoirement passer par une zone dont la section transversale est progressivement croissante. Il en résulte un certain renforcement de la pression statique en plus de celui qui a lieu dans les conduits ou gaines de refoulement.
A la fig. 5, l'espacement horizontal entre les parties de gaines, telles que les parties 57, 61, 62 sur le côté de gauche de l'appareil et 58, 59, 60, sur le côté de droite de l'appareil, est tel que la distance qui les sépare est égale ou supérieure à la largeur de ces gaines ellesmêmes. Pour calculer cet espacement, on a trouvé que,, dans le cas d'un appareil dont la longueur est d'envi- ron 3,6 m., on a intérêt à utiliser l'équation suivante:
Longueur de la cuvette
Espacement entre les ventilateurs = -largeur combinée des ventilateurs dans cette section
Nombre de ventilateurs
On peut ainsi disposer d'un espace d'air très important entre les conduits et on a trouvé que cette possibilité contribue grandement à l'efficacité de l'installation.
L'espacement entre les ventilateurs terminaux d'un groupe et la paroi d'extrémité adjacente de la cuvette n'est pas inférieur à la moitié de la largeur de la gaine du ventilateur. Les flèches sur la fig. S montrent la manière dont une partie de l'air, ayant subi une certaine déviation par la cloison 69, tend à monter vers le sommet de la cuvette dans les espaces entre les gaines des ventilateurs.
L'air qui sort des volutes de décharge des ventilateurs vient en contact avec la paroi verticale opposée à l'ouverture de la volute et une partie de cet air se dirige vers le haut, c'est-à-dire vers le plafond humide. Le restant de l'air est dévié de 1800 et remplit l'espace entre les ventilateurs, pendant qu'il se dilate vers le haut à travers la section profilée en V. L'espace entre les ventilateurs doit être déterminé de manière à assurer l'admission dans cet espace de la quantité d'air qui le remplisse.
On a pu constater que la capacité optimum de refroidissement est fonction de la largeur des ventilateurs, de leur espacement le long de l'arbre d'entraînement et du rapport entre la longueur et la largeur de la cuvette en V.
Par exemple, dans une installation particulière dans laquelle la longueur de la partie en V est de 3,6 m., on a utilisé trois ventilateurs ayant 56 cm. de diamètre, chacun de 53 cm. de largeur, avec un espacement de 69 cm.
entre eux et un espacement de 34 cm. entre les ventilateurs terminaux et les parois d'extrémité de la cuvette.
Le fait de s'écarter des valeurs optimums d'espacement entre les ventilateurs peut provoquer une répartition irrégulière de l'air, ce qui influe sérieusement sur la capacité de refroidissement de l'installation. Alors que l'air atteint le sommet de la zone en V, sa vitesse'a déjà été réduite et la pression statique a, par suite, augmenté.
Une fois que l'air atteint le sommet de la section en V, il est en grande partie distribué régulièrement, mais, pour améliorer encore la distribution de l'air avant d'atteindre le plafond humide, on peut utiliser des chambres de pression 170 et 71. Ces chambres servent à égaliser les petites différences de vitesse des courants d'air qui quittent le sommet de la zone en V.
Ainsi, au-dessus du sommet de la cuvette 1 1 et de la couche inférieure de remplissage, on peut installer une ou plusieurs chambres de pression qui sont des châssis constituant chacun un module de distribution d'air. Le module inférieur 170 est représenté à la fig. 1 et on voit qu'il est formé d'un cadre rectangulaire délimité par des éléments en gouttière dont les ailes sont orientées vers le dehors, les éléments latéraux portant les références 73 et 74. L'élément latéral 73 porte sur son bord intérieur une cornière en L de manière à former une chicane coudée 77. La partie horizontale de cette chicane 77 s'étend horizontalement sur une longueur qui est d'environ S à 7,5 cm. en direction de la gaine du ventilateur.
Quand on installe des appareils dos à dos, (fig. 2) le module 170 est construit avec un élément central 75 muni de chicanes 77 en cornière s'étendant vers chaque ventilateur. L'ensemble de châssis 71 est rigoureusement identique au module 170 à la seule exception qu'il ne comporte pas de chicane 77.
L'effet des deux châssis 170 et 71 est de créer un grand espace, rectangulaire quand on l'observe en plan, au-dessus du sommet de la cuvette 11 en V et au-dessous du plafond humide, le rôle de cet espace étant de former une zone qui provoquera une distribution plus régulière de l'air admis dans le remplissage. La distribution de l'air est aussi grandement améliorée par la chicane 77 en cornière. Ainsi, le profil en V de la cuvette 11, la mise en place des châssis 170 et 71 délimitant un espace et la présence de la chicane 77 sont les trois facteurs matériels qui contribuent, isolément ou conjointement, à l'efficacité de l'appareil, au développement d'un courant d'air uniforme et par conséquent à une nette amélioration de la capacité de refroidissement.
La construction du plafond humide 18 (fig. 1 et 2) est représentée plus en détail sur les fig. 7 à 10.
Si l'échangeur est décrit à propos d'une tour de refroidissement du type à soufflage traversant (à tirage forcé), comme c'est le cas sur les fig. 1 et 2, l'échangeur n'est aucunement limité à ce montage particulier car le plafond humide pourrait aussi bien servir avec tout montage à ventilateur centrifuge ou à hélice, que ce soit du type à soufflage traversant (à tirage forcé) ou du type à aspiration traversante (tirage induit). Pour une raison de commodité, un seul type de montage de ventilateur est représenté.
Un courant d'air est établi par le ventilateur 29 luimême entraîné par le moteur électrique 36. Ce courant d'air s'étale régulièrement sur la surface de la zone inférieure de remplissage 79. L'eau qui contient la chaleur à extraire sera distribuée sur le dessus du remplissage à travers le collecteur de pulvérisation 16 et les ajutages de pulvérisation 17, sous forme d'un fin brouillard régulier. Si l'on pouvait maintenir ce brouillard dans une tour de refroidissement, on pourrait obtenir un rendement très élevé dans une zone de dimensions réduites car la surface d'eau exposée serait importante. On tente d'atteindre cet objectif dans une tour remplie par pulvérisation mais, malheureusement, les gouttelettes d'eau se groupent rapidement et forment des gouttes de plus eii plus grandes.
On tire parti de l'efficacité du fin brouillard qui existe directement sous les pulvérisateurs et, aussitôt que les gouttelettes commencent à se grouper, on introduit la première couche d'éléments 18. L'eau tombe sur ces éléments et crée ainsi une mince pellicule uniforme d'eau sur la section supérieure de remplissage 80.
Cette section de remplissage contient un grand nombre d'éléments en tôle métallique 18 maintenus en espacement horizontal et vertical par des armatures de manière à présenter ensemble à l'eau une grande surface de contact. Après que l'eau a passé sur la surface d'un élément 18 et qu'une partie de la chaleur a été extraite de cette eau, cette dernière quitte la bordure inférieure 89 sous forme de petites gouttes dans des conditions voisines de celles qui existent directement au-dessous des pulvérisateurs. Ces petites gouttes présentent alors une très grande surface de contact pour l'air ascendant, ce qui permet d'établir une zone efficace de transmission de chaleur. Quand les petites gouttes recommencent à se grouper, on introduit une nouvelle couche d'éléments.
L'eau, après avoir traversé autant de couches de remplissage que nécessaire pour réaliser le refroidissement désiré, tombe par gravité dans la cuvette 11 en V.
Au-dessus de l'ensemble comportant le ventilateur, la cuvette et les chambres de pression, sont installés trois modules de plafond humide 79, 80 et 81, en superposition. Les châssis 79 et 80 sont des éléments modulaires interchangeables. Par conséquent, on se contentera de décrire en détail le châssis 79 mais il va de soi que cette description est tout aussi bien applicable au châssis 80.
Les bordures du châssis 79 sont formées de quatre profilés 83, 84, 85 et 86 en U. Les éléments de remplissage en tôle 18 sont faciles à installer et à supporter dans le châssis 79. Chaque élément 18 comporte des parties marginales rectilignes supérieure 88 et inférieure 89 ainsi qu'une partie intermédiaire courbe 90. Des pattes d'espacement 91 sont poinçonnées et façonnées dans les parties marginales 88 et 89. Des pattes 92 ayant la même hauteur sont poinçonnées et façonnées de manière à dépasser du côté concave de la partie courbe 90, la section transversale spéciale de ces pattes étant due à la courbure du métal dans lequel ces pattes sont poinçonnées. En raison de la présence des pattes 91 et 92, il est inutile de prévoir un entretoisement quelconque dans le châssis de support 79. Les éléments en tôle 18 sont introduits de manière à reposer parallèlement aux profilés 85 et 86 en U.
L'élément 18 le plus extérieur est maintenu sous une bande de retenue 93 tandis que les autres éléments sont placés côte à côte, l'espacement automatique étant réalisé par les pattes 91 et 92. A mi-chemil entre le profilé 85 et le profilé 86, deux éléments adjacents sont placés de manière que leurs parties concaves respectives 90 soient orientées l'une vers l'autre (fig. 1). Cela veut dire que sur chacun des profilés 85 ou 86 s'étendant parallèlement à l'élément, le côté convexe de la partie courbe 90 de la pièce de remplissage touche le profilé en U.
Les bandes de retenue 93, qui sont profilées en Z, ont une double fonction. Tout d'abord, elles dévient l'eau qui s'écoule de haut en bas sur les parois intérieures de l'ensemble du plafond humide pour revenir dans le courant d'air en vue d'une distribution appropriée. En second lieu, ces bandes assurent la position et maintiennent fermement en place l'élément adjacent au profilé de sorte que la partie convexe est orientée en direction opposée au centre. Cet agencement maintient une vitesse d'air uniforme sur toute la face du module du plafond humide.
Les profilés 83 et 84 sont montés de manière que leurs ailes soient dirigées vers l'intérieur. L'un des modules est assemblé par introduction d'éléments 18 dans un U fermé par l'un des profilés latéraux 85 ou 86 et les profilés terminaux 83 et 84. Les éléments 18 reposent sur les ailes intérieures des profilés 83 et 84. Après que la moitié des éléments ont été introduits, on met en place les autres éléments dans le sens opposé afin de réaliser la redistribution précédemment décrite. Une fois les autres éléments mis en place, on boulonne en position le profilé latéral restant.
Une fois que l'assemblage des éléments est effectué, on fixe des bandes de maintien 97 et 98 aux parois terminales 83 et 84, les ailes de ces bandes venant porter sur les bords terminaux supérieurs des éléments pour les maintenir en position, de sorte que le module tout entier peut être déplacé et manutentionné d'un seul bloc avant l'assemblage.
Les éléments 18 ne sont pas identiques les uns aux autres mais sont en général construits de façon que les pattes d'espacement 91 et 92 des éléments adjacents 18 soient déportés afin d'empêcher une patte d'espacement de pénétrer dans la zone poinçonnée d'un autre élément.
L'eau qui s'écoule sur une tôle, doit rester sous forme d'une pellicule mince régulière correctement répartie sur les deux côtés de la surface toute entière. Dans la présente construction du plafond humide on améliore très grandement le maintien d'une pellicule régulière en limitant la hauteur de chaque élément. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, on utilise une hauteur de 10 à 12,5 cm. pour chaque élément. Une zone ajourée verticale entre les modules du plafond humide, ayant à peu près la même hauteur verticale qu'un élément (entre 0,5 et 1,5 fois cette hauteur) sert de zone de redistribution sur laquelle l'eau en gravitation est régulièrement distribuée sur la surface du remplissage inférieur suivant lorsqu'elle se reforme en une pellicule mince sur les éléments 18 de cette surface.
Lors de l'étude des éléments 18, on a trouvé qu'il y avait lieu d'observer plusieurs facteurs critiques. Etant donné que l'air qui passe entre les éléments voisins ne peut suivre qu'un trajet qui est normal à l'espacement entre les éléments adjacents, la turbulence de cet air peut être réalisée par des ondulations qui sont identiques dans chaque pièce. Si la partie concavo-convexe 90 qui constitue les ondulations est cintrée suivant un rayon trop prononcé, la pellicule d'eau ne peut suivre la courbe.
Néanmoins, une courbure aussi prononcée que possible est désirable afin d'établir le maximum de contact entre l'air et l'eau et réaliser le meilleur lavage possible de l'air contre la surface de l'eau, après quoi l'air doit ralentir progressivement, ce ralentissement étant accompagné d'un faible accroissement de la pression statique, tout de suite avant que l'air quitte le bord supérieur des éléments. On a trouvé qu'un rayon principal de courbure compris entre 16 et 22 mm. est efficace quand les rayons secondaires sont compris entre 13 et 19 mm., aux emplacements où la partie courbe rejoint les parties marginales 88 et 89 sur un élément dont la hauteur est comprise entre 10,8 et 11,4 cm.
On a trouvé que l'espacement entre les éléments le plus avantageux est compris entre environ 13 et 22 mm.
Si cet espacement est plus faible, on risque de provoquer un effet de barrage , c'est-à-dire que l'eau va entièrement remplir l'espace entre les pièces adjacentes; un espacement plus large que l'intervalle indiqué se révèle moins efficace. I1 est souhaitable d'espacer les éléments de manière à réaliser un certain emboîtement; on entend par là que le côté convexe d'une partie courbe 90 doit partiellement pénétrer dans la partie concave d'un élément adjacent. Ainsi, si l'on tirait une ligne droite pour réunir les parties marginales 88 et 89 d'un élément donné i 8 on constaterait que la partie convexe de la courbe 90 de l'élément adjacent empiète sur cette ligne d'une distance qui peut atteindre 30 o/o de la distance horizontale entre les éléments adjacents.
Le châssis 81 n'est pas identique aux châssis 79 et 80, mais sa hauteur est à peu près double. Il en est ainsi du fait que le châssis 81 ne doit pas seulement recevoir une couche de remplissage mais aussi le collecteur 16 et les diverses conduites 27 qui partent de ce collecteur. Le châssis 81 présente des rebords intérieurs et contient des dispositifs de maintien 93, 96 et 97, 98 (fig. 9). Les éléments 18 sont introduits dans le châssis supérieur 81 de la même manière que dans les châssis 79 et 80, la principale différence étant que ces éléments occupent une plus faible partie du volume total délimité par le châssis.
Les modules de plafond humide peuvent ensuite être assemblés par boulonnage au-dessus d'une cuvette d'égouttage, en vue d'un fonctionnement à soufflage traversant (tirage forcé) ou à aspiration traversante (tirage induit) de l'air, et avec la possibilité d'assembler autant de modules qu'il est nécessaire pour réaliser le refroidissement désiré.
Evaporative heat exchanger
The present invention relates to an evaporative heat exchanger, characterized in that it comprises a set of elements to form a wet ceiling in order to establish a contact surface between water and air in the exchanger, this assembly comprising several parallel elements, each element being in the form of a strip which comprises, when viewed in section, marginal parts directed vertically and joined by a curved central part and holding means fitting on the exchanger and keeping the elements horizontally spaced.
The appended drawing represents, by way of examples, one embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is a sectional view of a module included in this embodiment.
Fig. 2 is an end section of two modules according to FIG. 1, placed back to back.
Fig. 3 is an overall side view of this first embodiment.
Fig. 4 is a section on a larger scale along line 4-4 of FIG. 3.
Fig. 5 is a section taken along line 5-5 of FIG. 2.
Fig. 6 is a partial perspective view of a member of this embodiment.
Fig. 7 is a vertical section at the end of an assembly shown in FIGS. 1 and 2.
Fig. 8 is a perspective view of a single surface element shown in FIG. 7.
Fig. 9 is a perspective view of a frame shown in FIG. 8.
Fig. 10 is a top view of this frame and of members that this embodiment comprises.
In fig. 1 to 3, a heat exchanger has a cooling tower which comprises an upper part 10 in which water is cooled and a lower part 11 in the form of a V-shaped bowl in which the water is collected. The upper part 10 is rectangular and is formed of a number of modular frames superimposed so as to form four vertical walls.
The lower bowl 11 has two opposite vertical walls 12 and 13 in the plane of two of the side walls of the upper part and, between these walls, a wall 14 which is inclined at 450 to the vertical and which intersects the walls 12 and 13 of so as to delimit with them the bowl 11 in V. The water to be cooled is introduced through a manifold 16 and escapes through various spray nozzles 17 before falling by gravity through a cooling zone which contains a surface of wet ceiling in the form of a large number of sheet elements 18 held by horizontally and vertically spaced frames so as to present together a large contact surface to the water.
The water first flows through the cooling zone where it comes into contact with the various sheet metal members 18 and then falls by gravity into the V-shaped bowl 11. Although the wet ceiling has been described in combination With a V-cup 11, it is obvious that another wet ceiling or other evaporative heat exchange surface could be used in combination with this V-cup.
The exchanger shown in fig. 1 to 3 is equipped with centrifugal fans which force the air to flow upwards between the elements 18 in counter-current to the falling water, as a result of which part of the water evaporates and is drawn upwards with the air current before leaving the apparatus through the mist eliminators 19 mounted at the top of the installation. The heat extracted from the remaining water is naturally carried along with the exhaust air to the surrounding atmosphere. As said, the cooled water falls into the bowl. Make-up water is admitted through a tap 20 which is opened by means of a float 21 (fig. 2) and it replaces the evaporated water as well as the waste water which has been drained. to reduce contamination, etc.
The cooled water is withdrawn from the bowl 11 through a pipe 22 and is transferred by means of a pump 23 and a pipe 24 to the heat exchanger 25. After use, the water has absorbed water. heat and must therefore be returned to the cooling system for cooling. This return is made via a conduit 26 which ends at the collector 16.
Since the lower part of the V-shaped bowl 11 has a very small volume, only a very small amount of water is present in this bowl, which is a definite advantage in reducing the load supported by the support surface which receives the device.
Not only does the V-profile reduce the amount of water, but it also allows the fans 29 to be placed substantially within the vertical projection of the rectangular plane of the upper part 10 of the apparatus, and this V-shape contributes to increase the static pressure in the cuvette. It is, of course, desirable that the fans be placed entirely under the inclined wall, when possible. If, however, a large fan is used, due to the essential requirements for the construction, some protrusion beyond the side wall of the appliance can be tolerated.
The air distribution in the case of an appliance with several fans, shown in fig. 5, will be described in detail below. The installation comprises two modules each comprising three centrifugal fans, namely a left-hand module, the closest fan of which is indicated by the reference 28, and a right-hand module, the closest fan of which bears the reference 29. The fan 29 and the two fans 30 and 31 placed behind it are keyed to a common drive shaft 32 and this shaft also carries, wedged on it, a pulley 33 connected by belts 34 to a drive pulley 35 of an electric motor 36. The motor 36 is mounted on a base plate 37 which slides in rails 38. A console 39 connected to the base plate 37 is crossed by a threaded rod 40.
This threaded rod also passes through a U-shaped part 41 which is the lower part of the frame of the support assembly for the fans and the motor. The threaded rod 40 carries nuts 42, the adjustment of which allows the motor mount to be easily moved and held in position in order to adjust the tension of the belts 34.
An identical arrangement is provided for the fan 28 and for the two fans arranged behind it. The motor is denoted by 44, the belt adjuster assembly is denoted by 45, the pulley is denoted by 46 and the common drive shaft is denoted by 47.
All centrifugal fans are of the axial suction and radial discharge type.
In fig. 3, the shaft 32 is provided with a main front bearing 48 to the left of the fan 29 while at the end of the shaft 32 remote from the pulley 33 is mounted another main bearing 50. Since a larger diameter shaft is used between the bearings 48 and 50, these two bearings are sufficient and no other intermediate bearing needs to be mounted between the fans associated with a single shaft. The bearings 48 and 50 are held by rigid frames 51 and 52 which extend between the U-shaped base elements 41 and the wall 14. The sides 53, 54, 55, of each fan are triangular, are arranged in parallel. and extend vertically from the bottom of the apparatus to the inclined wall 14 of the tray section.
The discharge of each fan is connected to an air duct which passes through the corresponding inclined wall 15, 14 and terminates in a mouth disposed substantially in a vertical plane but slightly inclined in a direction opposite to the inclination of the wall 14 or 15 corresponding through which the sheath passes. The duct associated with the fan 29 has a part 58 located entirely inside the bowl 11. The fan 30 has a sleeve 59 inside the bowl while the fan 31 has a sleeve 60. In FIG. 5, the ducts 61 and 62 in the bowl 1 1 serve the two fans not bearing a reference number which are located behind the fan 28, when one observes FIG. 2 and which are arranged next to this fan.
All these ducts are of identical construction and generally have a rectangular cross section, which is why we will be content to describe in detail the duct associated with the fan 29.
In fig. 4, the total area of the duct 58 of the fan 29 is delimited by the wall 53 (not shown in fig. 4), the parallel wall 54, a curved wall 65 between the walls 53 and 54, extending in a spiral. from the cutout 63 through the side wall 14 of the cup to end at 66, a flange 68 and the sheath portion 58. Both ends, i.e. the cut out end 63 and the end 66, of the spiral wall 65 are telescopically admitted into the sheath 58 which is fixed by its flanges 68 to the inner surface of the wall 14 of the bowl 11.
The air path, delimited by the walls 53, 54, 65 and the additional sheath 58 as well as the rim 68, has a gradually increasing cross section in the direction of the air flow so that a very strong conversion of the dynamic pressure into static pressure is achieved between the cutout 63 and the opening 64 of the sheath. It will be noted that the fan 29 which is shown in FIG. 4 rotates in the sinistrorsum direction.
In the installation comprising back-to-back devices, the bowl 11 (see fig. 2, 4 and 5) is divided in its center by a partition 69 which extends between the walls 12 and 13 and from the top of the plate. down and to a point slightly below the water level in the bowl. Below the lower end of the partition 69 is mounted an anti-entrainment baffle 70 which extends horizontally across the bottom of the bowl above the level of the outlet duct 22. The baffle 70 also serves to equalize the elimination of water from the bowl 1 1 because this baffle is inclined so as to present a wider opening to the passage of water on the end remote from the outlet. Directly above the baffle 70 can be installed a strainer supported by brackets.
In fig. 1, 2 and 5, the air which leaves the mouths of the various ducts 57 to 62 is sent into a somewhat confined space limited at the bottom by the level of the water, in front of the mouth of the duct, by the partition 69, and behind the sheath by the inclined wall 14 or 15, as the case may be. Although a certain increase in the static pressure occurs before the air leaves the various ducts 57 to 62, the speed of the air at the outlet of the mouths of these ducts is still too high to allow an efficient and even distribution of air over the cross section of the filling above the V-shaped bowl 11.
One of the means which contributes to the evenness of the distribution of the air over the cross section of the filling is that the part of the bowl above the outlet of the fan has an increasing cross section as the The air advances upward from the mouth of the fan duct. This is obviously the case because the central partition 69 forms with the inclined wall 14 an area whose actual shape is that of an inverted right triangle, when observed in vertical section, so that the air which s 'moves away from the bottom of the bowl and rises must necessarily pass through an area whose cross section is progressively increasing. This results in a certain increase in the static pressure in addition to that which takes place in the discharge conduits or ducts.
In fig. 5, the horizontal spacing between the duct parts, such as parts 57, 61, 62 on the left side of the device and 58, 59, 60, on the right side of the device, is such that the distance between them is equal to or greater than the width of these sheaths themselves. To calculate this spacing, we have found that, in the case of an apparatus whose length is about 3.6 m., It is advantageous to use the following equation:
Bowl length
Spacing between fans = - combined width of fans in this section
Number of fans
It is thus possible to have a very large air space between the ducts and it has been found that this possibility contributes greatly to the efficiency of the installation.
The spacing between the terminal fans in a group and the adjacent end wall of the bowl is not less than half the width of the fan duct. The arrows in fig. S show the way in which part of the air, having undergone a certain deflection through the partition 69, tends to rise towards the top of the bowl in the spaces between the fan ducts.
The air coming out of the discharge volutes of the fans comes into contact with the vertical wall opposite the opening of the volute and part of this air goes upwards, that is to say towards the humid ceiling. The remainder of the air is deflected by 1800 and fills the space between the fans, as it expands upward through the V-section section. The space between the fans should be determined in such a way as to ensure l 'admission into this space of the quantity of air which fills it.
It has been found that the optimum cooling capacity is a function of the width of the fans, their spacing along the drive shaft and the ratio of the length to the width of the V-cup.
For example, in a particular installation in which the length of the V-part is 3.6 m., Three fans having 56 cm were used. in diameter, each 53 cm. wide, with a spacing of 69 cm.
between them and a spacing of 34 cm. between the terminal fans and the end walls of the bowl.
Deviating from the optimum values of spacing between fans can cause uneven air distribution, which seriously affects the cooling capacity of the installation. As the air reaches the top of the V-shaped zone, its speed has already been reduced and the static pressure has consequently increased.
Once the air reaches the top of the V-section, much of it is distributed evenly, but, to further improve the distribution of the air before reaching the wet ceiling, pressure chambers can be used 170 and 71. These chambers serve to equalize the small differences in speed of the air currents leaving the top of the V-shaped zone.
Thus, above the top of the bowl 1 1 and the lower filling layer, one or more pressure chambers can be installed which are frames each constituting an air distribution module. The lower module 170 is shown in FIG. 1 and it can be seen that it is formed of a rectangular frame delimited by gutter elements whose wings are oriented outwards, the side elements bearing the references 73 and 74. The side element 73 carries on its inner edge a L-shaped angle iron so as to form an angled baffle 77. The horizontal part of this baffle 77 extends horizontally over a length which is approximately S to 7.5 cm. towards the fan duct.
When installing devices back to back, (Fig. 2) the module 170 is constructed with a central element 75 provided with baffles 77 in angle form extending towards each fan. The frame assembly 71 is strictly identical to the module 170 with the sole exception that it does not include a baffle 77.
The effect of the two frames 170 and 71 is to create a large space, rectangular when viewed in plan, above the top of the V-shaped bowl 11 and below the damp ceiling, the role of this space being to form a zone which will cause a more even distribution of the air admitted into the filling. Air distribution is also greatly improved by the baffle 77 at the angle. Thus, the V-shaped profile of the bowl 11, the placement of the frames 170 and 71 delimiting a space and the presence of the baffle 77 are the three material factors which contribute, individually or jointly, to the efficiency of the device. , the development of a uniform air flow and consequently a marked improvement in the cooling capacity.
The construction of the wet ceiling 18 (Figs. 1 and 2) is shown in more detail in Figs. 7 to 10.
If the exchanger is described in connection with a cooling tower of the through-blowing type (forced draft), as is the case in fig. 1 and 2, the exchanger is in no way limited to this particular assembly because the wet ceiling could equally well be used with any assembly with a centrifugal fan or propeller, whether it is of the through-blowing type (forced draft) or of the type through suction (induced draft). For convenience, only one type of fan mount is shown.
A current of air is established by the fan 29 itself driven by the electric motor 36. This current of air is spread regularly over the surface of the lower filling zone 79. The water which contains the heat to be extracted will be distributed. on top of the fill through the spray manifold 16 and the spray nozzles 17, as a fine, even mist. If we could keep this fog in a cooling tower, we could obtain a very high efficiency in an area of reduced dimensions because the exposed water surface would be large. This is attempted in a spray-filled tower, but unfortunately the water droplets cluster quickly and form larger and larger droplets.
You take advantage of the efficiency of the fine mist that exists directly under the sprayers and, as soon as the droplets begin to group together, the first layer of elements 18 is introduced. The water falls on these elements and thus creates a thin film. water uniform over top fill section 80.
This filling section contains a large number of sheet metal elements 18 held in horizontal and vertical spacing by reinforcements so as to present together a large contact surface to the water. After the water has passed over the surface of an element 18 and part of the heat has been extracted from this water, the latter leaves the lower edge 89 in the form of small drops under conditions similar to those which exist directly below the sprayers. These small drops then have a very large contact surface for the rising air, which makes it possible to establish an effective heat transmission zone. When the small drops start to group again, a new layer of elements is introduced.
The water, after passing through as many layers of filling as necessary to achieve the desired cooling, falls by gravity into the V-shaped bowl 11.
Above the assembly comprising the fan, the bowl and the pressure chambers, are installed three wet ceiling modules 79, 80 and 81, superimposed. The frames 79 and 80 are interchangeable modular elements. Consequently, we will only describe the chassis 79 in detail, but it goes without saying that this description is equally applicable to the chassis 80.
The edges of the frame 79 are formed of four U-shaped sections 83, 84, 85 and 86. The sheet metal infill members 18 are easy to install and support in the frame 79. Each member 18 has upper rectilinear marginal portions 88 and lower 89 as well as a curved intermediate portion 90. Spacer tabs 91 are punched and formed in the marginal portions 88 and 89. Tabs 92 having the same height are punched and shaped to protrude from the concave side of the portion. curve 90, the special cross section of these legs being due to the curvature of the metal in which these legs are punched. Due to the presence of the tabs 91 and 92, it is unnecessary to provide any bracing in the support frame 79. The sheet metal elements 18 are introduced so as to rest parallel to the profiles 85 and 86 in U.
The outermost element 18 is held under a retaining strip 93 while the other elements are placed side by side, the automatic spacing being achieved by the tabs 91 and 92. Halfway between the profile 85 and the profile 86, two adjacent elements are placed so that their respective concave parts 90 are oriented towards each other (Fig. 1). This means that on each of the profiles 85 or 86 extending parallel to the element, the convex side of the curved part 90 of the filling piece touches the U-profile.
The retaining bands 93, which are Z-shaped, have a dual function. First, they deflect water flowing up and down on the interior walls of the wet ceiling assembly back into the air stream for proper distribution. Secondly, these bands secure the position and firmly hold the element adjacent to the channel in place so that the convex portion faces away from the center. This arrangement maintains a uniform air speed over the entire face of the wet ceiling module.
The profiles 83 and 84 are mounted so that their wings are directed inwards. One of the modules is assembled by inserting elements 18 into a U closed by one of the side profiles 85 or 86 and the end profiles 83 and 84. The elements 18 rest on the inner wings of the profiles 83 and 84. Afterwards that half of the elements have been introduced, the other elements are placed in the opposite direction in order to carry out the redistribution previously described. Once the other elements are in place, the remaining side profile is bolted in position.
Once the elements have been assembled, retaining bands 97 and 98 are fixed to the end walls 83 and 84, the wings of these bands coming to bear on the upper terminal edges of the elements to hold them in position, so that the entire module can be moved and handled as a single unit prior to assembly.
The elements 18 are not identical to each other but are generally constructed so that the spacer tabs 91 and 92 of the adjacent elements 18 are offset to prevent a spacer tab from entering the punched area. another element.
The water which flows on a sheet, must remain in the form of a regular thin film properly distributed on both sides of the entire surface. In the present construction of the wet ceiling, the maintenance of a regular film is greatly improved by limiting the height of each element. Thus, in a preferred embodiment, a height of 10 to 12.5 cm is used. for each item. A vertical openwork zone between the wet ceiling modules, having roughly the same vertical height as an element (between 0.5 and 1.5 times this height) serves as a redistribution zone on which the gravitating water is regularly distributed over the surface of the next lower fill as it reformed into a thin film on the elements 18 of that surface.
In studying the elements 18, it was found that several critical factors should be observed. Since the air passing between neighboring elements can only follow a path that is normal to the spacing between adjacent elements, the turbulence of this air can be achieved by ripples which are identical in each room. If the concavo-convex part 90 which constitutes the corrugations is bent along too pronounced a radius, the film of water cannot follow the curve.
Nevertheless, as steep a curvature as possible is desirable in order to establish the maximum contact between air and water and to achieve the best possible washing of the air against the water surface, after which the air should. gradually slowing down, this slowing down being accompanied by a slight increase in static pressure, immediately before the air leaves the upper edge of the elements. It has been found that a main radius of curvature is between 16 and 22 mm. is effective when the secondary radii are between 13 and 19 mm., at the places where the curved part meets the marginal parts 88 and 89 on an element whose height is between 10.8 and 11.4 cm.
The most advantageous element spacing has been found to be between about 13 and 22 mm.
If this spacing is smaller, there is a risk of causing a barrier effect, that is to say that the water will completely fill the space between the adjacent rooms; a spacing wider than the indicated interval is less effective. I1 is desirable to space the elements so as to achieve a certain interlocking; by this is meant that the convex side of a curved part 90 must partially penetrate into the concave part of an adjacent element. Thus, if a straight line were drawn to join the marginal parts 88 and 89 of a given element i 8, it would be seen that the convex part of the curve 90 of the adjacent element encroaches on this line by a distance which can achieve 30 o / o of the horizontal distance between adjacent elements.
Chassis 81 is not identical to chassis 79 and 80, but its height is roughly double. This is so because the frame 81 must not only receive a filling layer but also the manifold 16 and the various pipes 27 which start from this manifold. The frame 81 has interior edges and contains retention devices 93, 96 and 97, 98 (Fig. 9). The elements 18 are introduced into the upper frame 81 in the same way as in the frames 79 and 80, the main difference being that these elements occupy a smaller part of the total volume delimited by the frame.
The wet ceiling modules can then be bolted together over a drip pan, for through-blow (forced draft) or through-suction (induced draft) operation of air, and with the possibility of assembling as many modules as necessary to achieve the desired cooling.