Domaine technique

Le domaine technique de l'invention est le domaine des laveurs et des échangeurs entre de l'eau ou une solution aqueuse et un gaz ainsi que le domaine de l'utilisation de tours aéroréfrigérantes.

Technique antérieure

Les tours aéroréfrigérantes sont des systèmes qui, dans le but de refroidir de l'eau, à un coût le plus faible possible, utilisent de l'air ambiant en lui faisant traverser de l'eau à refroidir tombant en pluie dans la tour, le flux d'air circulant dans la tour à contre-courant de la pluie d'eau.

On peut envisager d'utiliser l'excellent contact entre liquide et gaz obtenu pour un coût faible par la tour aéroréfrigérante pour d'autres applications que le refroidissement d'eau par l'air ambiant.

Le dispositif objet du présent brevet permet d'élargir considérablement, grâce à son emploi, les domaines d'utilisation de tours aéroréfrigérantes, par exemple en permettant de les utiliser efficacement pour réchauffer à partir d'un gaz chaud de l'eau (ou une solution aqueuse) et/ou pour épurer ou traiter un gaz.

Une application particulièrement intéressante du dispositif objet de la présente invention est la récupération du maximum possible de chaleur dans des gaz pour chauffer l'eau d'un circuit de chauffage. Lorsque l'on cherche à récupérer la plus grande partie possible de la chaleur des fumées produites par la combustion d'un combustible, ce qui permet de récupérer la plus grande partie possible du pouvoir calorifique supérieur (PCS) du combustible utilisé, on sait que la partie récupérée des calories contenues dans les fumées traitées aura un niveau thermique relativement bas (par exemple on ne récupérera sur des gaz qui sortent à 45°C saturés d'humidité que des calories à une température de 45°C moins le pincement de l'échangeur utilisé). On ne peut récupérer la chaleur latente de condensation en liquide de l'eau contenue dans les fumées que tant que la température de rosée des fumées est supérieure à la température de l'eau qui tombe en pluie dans la tour.

Pour récupérer le plus possible des calories contenues dans les fumées, on cherche à réaliser un échangeur de chaleur entre les fumées et un fluide de récupération de la chaleur (habituellement de l'eau) dont le pincement soit le plus faible possible et le coût le moins élevé possible. Le pincement le plus faible possible permet de récupérer les calories au niveau le plus élevé possible mais aussi, vu que la température d'usage des calories est en général fixée, de récupérer le plus de calories possibles sur les mêmes fumées.

Obtenir un pincement le plus faible possible dans un échangeur visant à réchauffer de l'eau à partir d'un gaz plus chaud contenant de la vapeur d'eau, et cela à un coût le plus faible possible, est le même problème qu'obtenir, à un coût le plus faible possible, un pincement le plus faible possible dans un échangeur visant à refroidir de l'eau à partir d'un gaz qui, une fois saturé, sera plus froid que cette eau. Ce problème est couramment rencontré et résolu par exemple par les constructeurs de tours aéroréfrigérantes qui cherchent à refroidir autant que possible, en utilisant l'air ambiant, de l'eau réchauffée par la condensation en liquide d'un fluide frigorigène utilisé pour produire du froid.

Certes, on pourrait objecter que les fumées sur lesquelles on veut récupérer de la chaleur sont en général à des températures plus élevées que les températures admissibles par les pièces en plastique des tours aéroréfrigérantes du commerce. Cette difficulté peut être résolue de deux façons : soit en remplaçant les pièces en plastique de la tour aéroréfrigérante par des pièces métalliques, soit en faisant en sorte que les gaz qui touchent les pièces en plastique soient à des températures acceptables par ces pièces (c'est- à-dire en général en dessous de 75°C), ce qui peut être obtenu par exemple en n'utilisant la tour aéroréfrigérante en réchauffeur d'eau qu'avec des gaz qui, au contact des pièces de la tour aéroréfrigérante utilisée, ne dépassent pas les températures acceptables par ces pièces.

Pour récupérer des calories de bas niveau thermique, par exemple à 40°C (température choisie comme exemple), dans de l'eau en utilisant les calories contenues dans un gaz dont le point de rosée est supérieur à 40 °C de la valeur du pincement, il est donc possible et logique d'utiliser une tour aéroréfrigérante en inversant le sens de son fonctionnement thermique et en complétant judicieusement cette tour de la façon décrite ici.

C'est l'étude des solutions techniques permettant de récupérer la plus grande partie du PCS (pouvoir calorifique supérieur) de bois humide qui a conduit à inventer le dispositif original complétant une tour aéroréfrigérante, objet du présent brevet. Dans ce cas, qui est à l'origine de l'invention objet du présent brevet mais n'en est qu'une application particulière, le dispositif permet de réaliser un récupérateur de PCS (pouvoir calorifique supérieur) à partir d'une tour aéroréfrigérante. Cependant, le dispositif objet du présent brevet a bien sûr un domaine d'application plus large, comme indiqué ci-dessus, cela du fait du très bon coefficient d'échange de chaleur mais aussi de matière entre liquide et gaz qu'il permet d'obtenir.

L'utilisation des tours aéroréfrigérantes en récupérateurs de chaleur n'est pas du tout courante et en conséquence on ne trouve pas de dispositif à adapter sur une tour aéroréfrigérante de sorte qu'elle puisse être utilisée pour récupérer efficacement des calories sur des gaz de point de rosée supérieur à la température à laquelle on veut récupérer les calories. Le fait que la récupération de calories de bas niveau thermique soit assez peu développée jusqu'à présent et ne soit justifiée économiquement que dans des conditions particulières d'usage de l'eau chaude explique sans doute le fait que la technique de récupération de chaleur latente de fumées en utilisant une tour aéroréfrigérante du type pluie dans une tour n'ait pas fait l'objet de réalisations particulières jusqu'à présent. Pourtant, il y a là un débouché relativement important lorsque l'on cherche à faire du chauffage de bâtiment ou encore plus de serres agricoles ou du séchage.

Exposé de l'invention

La présente invention est relative à un matériel particulièrement avantageux à utiliser entre autres pour compléter une tour aéroréfrigérante de façon à permettre de récupérer des calories de chaleur latente sur un gaz, par exemple récupérer sur des fumées humides des calories de chaleur latente de condensation de l'eau en liquide. Le dispositif objet du présent brevet s'installe sur une tour aéroréfrigérante « classique » telle que fournie par divers constructeurs par exemple pour refroidir l'eau des condenseurs à fluide frigorifique d'une installation de production de froid.

Le dispositif objet du présent brevet comporte un canal ou canalisation dit « canal principal », éventuellement composé de plusieurs sous-canaux en parallèle, le canal ou les sous-canaux, éventuellement constitués chacun d'un ou plusieurs morceaux, recueillant les gaz sortants de la tour aéroréfrigérante et les conduisant à l'entrée gaz de la tour aéroréfrigérante (en fonctionnement habituel de la tour aéroréfrigérante, c'est par là que rentre l'air), ce qui permet de renvoyer une partie du gaz sortant de la tour aéroréfrigérante en entrée de la dite tour aéroréfrigérante. Ce « canal principal » dispose d'au moins une sortie permettant d'extraire une partie des gaz sortant de la tour aéroréfrigérante et d'au moins une entrée permettant d'introduire le gaz que l'on souhaite utiliser ou traiter dans le flux de gaz que le canal principal conduit à l'entrée gaz de la tour aéroréfrigérante.

La dépression causée par un dispositif de mise en mouvement de gaz (avantageusement le ventilateur d'air de la tour aéroréfrigérante dont on peut être amené à transférer l'entraînement pour que le moteur soit en dehors du « canal principal » dans lequel circule un gaz trop chaud et trop humide pour environner sans inconvénients un moteur électrique courant) permet de faire circuler dans le « canal principal » les gaz sortant de la tour aéroréfrigérante puis rentrant, après adjonction et mélange avec les gaz à traiter ou refroidir, dans la tour aéroréfrigérante. Le « canal principal » et le dispositif de mise en mouvement de gaz permettent de recycler dans la tour aéroréfrigérante la partie non rejetée à l'extérieur des gaz qui sortent de ladite tour.

Le dispositif objet du présent brevet comporte de plus un système d'introduction et mélange du gaz que l'on souhaite utiliser ou traiter, dans le flux de gaz circulant dans le « canal principal ». Ce système est avantageusement constitué d'un (ou plusieurs) moyen de mise en mouvement de gaz (avantageusement ventilateur) et d'une conduite dans laquelle le (ou les) moyen de mise en mouvement de gaz entraîne le gaz que l'on veut utiliser ou traiter. Cette conduite débouche sur un dispositif permettant de mélanger efficacement le gaz entrant au flux de gaz circulant dans le « canal principal », dispositif constitué par exemple d'un ensemble de canaux placés dans le « canal principal » et divisant le flux entraîné en plusieurs nappes qui, du fait de leur épaisseur plus faible que la dimension de la conduite d'introduction du gaz, permettent un mélange plus rapide avec les gaz circulants dans le « canal principal ».

Le dispositif objet du présent brevet peut en outre comprendre un dispositif permettant d'introduire des réactifs dans le liquide tombant en pluie dans la tour aéroréfrigérante. Ce ou ces réactifs, ajoutés à l'eau ou à la solution aqueuse d'une façon judicieusement régulée, constituent la solution aqueuse, re-circulée par la pompe de la tour aéroréfrigérante. Ils sont ajoutés par exemple dans le but de neutraliser l'éventuelle acidité du gaz ou d'augmenter la quantité d'éventuelles impuretés transférées du gaz à l'eau ou à la solution aqueuse en favorisant la formation de boues séparables extraites par un dispositif approprié. Les faces de la tour aéroréfrigérante, et éventuellement le reste de la tour aéroréfrigérante, peuvent être calorifugées, par exemple pour augmenter la chaleur récupérée en diminuant les pertes thermiques par les parois.

Le dispositif objet du présent brevet peut lui aussi être calorifugé, dans le même objectif.

Description sommaire des dessins

Un mode particulier de réalisation du dispositif constituant l'invention est décrit ci-après et représenté en figures 1 et 2. Ce dispositif vient se monter sur une tour aéroréfrigérante classique, telle que représentée en figures 3 et 4, construite par exemple en tôles d'acier inoxydable pliées, calorifugée et munie de tous les éléments nécessaires à son bon fonctionnement, pour finalement constituer l'ensemble représenté en figures 5 et 6.

Les figures 7, 8 et 9 représentent un exemple de dispositif objet de l'invention dans un cas particulier de sa réalisation, respectivement en vues de côté, de dessus et de face.

Le dispositif comporte un ou plusieurs carters qui, seul ou assemblés les uns aux autres, constituent les parois du canal principal.

Meilleure manière de réaliser l'invention

Dans le cas particulier de réalisation décrit ici, le canal principal du dispositif est avantageusement formé par un ensemble « carter », constitué d'un ou plusieurs carters élémentaires, avantageusement en forme de L renversé conçu et dimensionné de sorte qu'il s'adapte judicieusement et se fixe facilement aux tôles d'une tour aéroréfrigérante classique. Le canal formé par le carter est constitué de deux parties :

- une première partie (1) est disposée horizontalement et fixée avantageusement de façon facilement démontable sur les tôles supérieures de la tour aéroréfrigérante

- une seconde partie (2) est disposée verticalement. La surface de sa section droite est avantageusement de 2 à 2,5 fois celle de la section droite de la partie (1) à laquelle elle se raccorde en formant un L renversé, cela afin que la vitesse de circulation des gaz recyclés ne soit pas, entre les goulottes d'injection des gaz, beaucoup plus élevée que la vitesse dans la zone de collection du gaz sortant de la tour aéroréfrigérante.

La partie horizontale (1) du canal principal supporte, de son côté opposé à l'angle du L constitué avec la partie verticale (2), un piquage (3) de section suffisante pour permettre la sortie de fumées ultimes qui, refroidies par l'eau circulant dans la tour aéroréfrigérante, sont rejetées saturées à la température de sortie, dans l'atmosphère.

Le bas de la partie (2) du canal principal englobe le ventilateur (4) servant, en utilisation normale de la tour aéroréfrigérante, à aspirer l'air ambiant pour le souffler dans la tour aéroréfrigérante. Ici, ce ventilateur, inclus dans le canal principal, aspirera donc le mélange de gaz contenu dans le bas de la partie (2) du canal principal et le soufflera en bas de la tour aéroréfrigérante.

Les fumées dont on veut récupérer une partie de la chaleur sont poussées par un ventilateur (5) dans une conduite (6) qui débouche sur la paroi de la partie verticale (2) du canal principal. Ce ventilateur (5) a été choisi, dans le cas particulier pour lequel on réalise le dispositif dont le mode particulier de réalisation est décrit ici, de telle sorte qu'il puisse souffler des fumées atteignant des températures d'environ 300°C, qui sont les températures des fumées en sortie de la chaudière d'où elles sortent dans le cas particulier décrit ici. Les caractéristiques particulières de l'installation peuvent amener à surélever par un support le ventilateur (5) par rapport au sol supportant la tour aéroréfrigérante, de telle sorte que la conduite amenant les fumées de la chaudière au ventilateur (5) soit la plus simple possible. Mais toute autre disposition peut bien entendu être envisagée. Le ventilateur (5) est évidemment muni de joints souples à son aspiration et à son refoulement pour éviter que ne soient transmises au dispositif les vibrations qu'il génère.

La partie de paroi de la partie verticale (2) du canal principal sur laquelle débouche la conduite (6) est percée d'orifices (7) débouchant dans des canaux (8) de type gouttières de grande profondeur renversées, ouverts vers l'aval, disposés transversalement à la partie (2) du canal principal, dans la partie haute de cette partie. Poussées par le ventilateur (5), les fumées sont ainsi distribuées par les canaux (8) sur toute la largeur de la partie (2) descendante du canal principal en L et se mélangent au gaz venant de la partie (1) horizontale du canal principal.

Le mélange réalisé est aspiré par le ventilateur (4) de la tour aéroréfrigérante englobé par le bas de la partie (2) du canal principal et ainsi introduit dans la tour aéroréfrigérante qu'il remonte à contre-courant de la pluie d'eau qui tombe dans cette tour. En tombant, cette pluie échange chaleur et matière avec le mélange de fumées introduites et de fumées recyclées. Le mélange de fumées est refroidi par l'échange avec l'eau et une partie de l'eau qu'il contient est condensée. L'eau qui tombe en pluie dans la tour se trouve quant à elle réchauffée par échanges thermiques et condensation.

La qualité de l'échange de la tour de refroidissement permet ainsi de récupérer la chaleur résiduelle des fumées injectées et cela quasiment jusqu'à la température de sortie des fumées qui sortent par le piquage (3).

De plus, l'échange fumées-eau, excellent du fait de la grande surface de contact, surface des gouttes de la pluie, assure un bon « lavage » des fumées qui transfère à l'eau une grande partie des poussières (même très fines) qu'elles peuvent contenir. De même pour les corps solides, liquides ou gazeux qu'elles peuvent contenir. La tour aéroréfrigérante est avantageusement équipée d'un système (9) de séparation liquide-boues fourni par le constructeur.

On sait que les équilibres liquide-gaz sont influencés par les teneurs en gaz dissouts de la solution. Pour que les fumées sortantes soient les plus pures possible, on aura donc intérêt à diminuer les teneurs dans le liquide recyclé dans la tour en les corps dissouts que l'on veut extraire autant que possible des fumées, avantageusement en déplaçant les équilibres liquide-gaz par l'adjonction de réactifs appropriés. Des réactifs faisant floculer ces corps sont injectés dans ce liquide, précipité formé étant extrait par un ensemble de matériels de décantation et/ou de filtration (ensemble qui existe déjà dans certaines tours aéroréfrigérantes mais peut utilement être complété). Injecteurs dosants de réactifs et séparateurs solide/liquide de type décanteurs (centrifuges ou gravitaires) et filtres à nettoyage plus ou moins automatisés peuvent être prévus dans le dispositif.

Parmi les éléments permettant le bon fonctionnement du dispositif intégrant la tour aéroréfrigérante sur laquelle vient s'adapter le dispositif objet du présent brevet, on peut noter un échangeur à plaques (10) permettant, dans le cas décrit ici, de réchauffer l'eau du circuit de chauffage (circuit secondaire) à partir de l'eau recirculée qui tombe en pluie dans la tour aéroréfrigérante (circuit primaire). Le type d'échangeur utilisé peut bien sûr être différent de celui représenté dans les figures.

On remarquera sur les figures 7 et 9 le moteur (11), les poulies et l'axe (12) qui permettent d'entraîner le ventilateur (4) de la tour aéroréfrigérante de l'extérieur du canal principal de sorte que le moteur (11) ne soit pas plongé dans une ambiance très humide et assez chaude. Cet ensemble moteur (11) - axe (12) est judicieusement tenu par des tôleries appropriées qui résistent à la tension de courroie sans soumettre l'axe (12) du ventilateur à des efforts de flexion inacceptables.

Possibilités d'application industrielle

Le mode de réalisation exposé ici du dispositif objet de la présente invention peut être utilisé pour chauffer ou pré-chauffer l'eau du réseau de chauffage d'une serre par l'intermédiaire d'un échangeur.

Le dispositif objet du présent brevet peut aussi faire l'objet d'utilisations très différentes. L'invention peut faire l'objet d'une application industrielle dans le cadre d'une installation de chauffage de serre. Elle peut servir à toute autre installation de chauffage, en particulier à des installations de chauffage à partir de biomasse plus ou moins humide.

Vu les avantages que présente une gazéification intermédiaire avant postcombustion par rapport à une combustion directe, il est intéressant de signaler que le dispositif peut avantageusement être utilisé derrière une postcombustion de gaz produit par exemple par gazéification de biomasse. Cela ne remet pas en cause le fait que le dispositif peut aussi être intéressant, utilisé sur les fumées de tout autre type de système de combustion ou utilisé sur des gaz qui contiennent de la chaleur utilisable du fait d'un niveau thermique suffisant.

Le dispositif peut être également utilisé dans tout système de lavage de gaz (fumées ou autres) en vue de récupération de chaleur, d'épuration ou de traitement de fumées, de réactions liquide-gaz.

Les applications industrielles du dispositif objet du présent brevet ne se limitent pas aux applications citées ci-dessus.