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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Procédé et dispositif pour solidifier ou refroidir des liquides, notamment de l'eau.
Le procédé employé actuellement pour fabriquer la glace artificielle consiste à cristalliser l'eau par l'action de basses températures. La transmission du froid est généralement opérée indirectement, c'est-à-dire qu'on communique le froid à une solution (saumure) dans laquelle sont plongés les moules métalliques contenant l'eau à congeler.
La saumure froide communique le froid reçu à l'eau qui se congèle peu à peu.
Ce procédé connu implique de notables pertes de froid en raison des rentrées de chaleur inévitables dans les grands générateurs, des pertes par fusion dues à ce qu'on doit détacher le bloc de glace des parois du moule, et du
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refroidissement du chariot portant les moules. Comme le montre l'expérience, ces pertes s'élèvent dans les grandes installations à environ 30%, c'est-à-dire qu'il faut employer, par kilogramme de glace, 120 grandes calories au lieu de 90 grandes calories. Un autre inconvénient à mentionner est que la production de l'installation ne s'adapte qu'insuffisamment à la consommation de glace.
Il faut beaucoup de travail et un personnel nombreux pour remplir d'eau à congeler les différents moules, pour détacher des parois des moules les blocs de glace et pour vider les moules, cette opération devant être exécutée en série au moyen d'un pont roulant qui amène les différents cadres à moules au réservoir de remplissage, les dépose à une extrémité du générateur de glace, les retire à l'autre extrémité et les amène au dispositif de dégèlement et de démoulage par basculement. En outre il est à noter que dans ce procédé on doit produire le froid au moyen d'une température relativement basse, d'environ - 12 C, et que dans ces conditions le rendement est jusqu'à 30 % plus faible que si l'on pouvait produire le froid au moyen d'une température d'environ - 3 à - 4 .
Lorsqu'on utilise la glace en fragments, par exemple pour conserver le poisson, pour la patisserie, etc., cet ancien mode de production de glace présente l'inconvénient qu'il faut encore concasser les blocs de glace dans un broyeur.
Par ailleurs, on connaît encore d'autres procédés, suivant lesquels on fabrique de la glace dite en écailles.
On congèle l'eau sur des tambours qui tournent dans l'eau et qui sont remplis intérieurement de saumure froide. Il se forme sur l'enveloppe extérieure,par suite de l'action du froid, une couche de glace produite pendant la rotation dans
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l'eau. Quand la couche atteint une épaisseur de 1 à 2 cm, on déforme l'enveloppe du tambour au moyen de rouleaux intérieurs, pour briser et détacher la couche de glace.
Un procédé analogue consiste à maintenir l'eau animée d'un mouvement giratoire continuel au moyen d'un dispositif rotatif à palette dans un cylindre creux fixe entouré à l'extérieur, directement, du fluide réfrigérant en voie d'évaporation, par exemple d'ammoniaque, de sorte que l'eau se dépose à l'intérieur sous forme d'une mince croûte de glace. Puis, par raclage, on produit de la glace dite en copeaux. La glace a l'aspect d'une masse de neige et on peut également la comprimer en blocs à la presse.
Toutefois les deux derniers procédés présentent l'inconvénient qu'il y faut aussi travailler, comme dans les autres procédés connus, à de basses températures d'évaporation.
En outre, les dispositifs servant à exécuter les procédés sont coûteux et sujets à l'usure.
Enfin, on connaît encore des procédés qui consistent à produire de la glace en évaporant l'eau dans le vide ou en détendant le liquide à congeler à une pression égale ou inférieure à son point triple. Ce procédé présente l'inconvénient que pour évacuer la vapeur engendrée il faut employer de grandes machines, par exemple des turbo-compresseurs ou encore des éjecteurs de vapeur qui, comme on le sait, ont un très mauvais rendement et sont très peu économiques.
Vis-à-vis des procédés connus, la présente invention permet de produire de la glace artificielle par un procédé simple, presque sans pertes et sans surfaces servant à la transmission du froid. Le procédé consiste à amener directement en contact avec un agent réfrigérant liquide, dans un espace fermé, le liquide à refroidir ou à solidifier.
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Le dessin annexé représente deux exemples de dispositifs convenant pour exécuter le procédé suivant l'in- vention.
Fig. 1 est une coupe verticale d'un dispositif suivant l'invention,
Fig. 2 montre en coupe, à plus grande échelle, une tuyère de pulvérisation,
Fig. 3 montre la seconde forme d'exécution,
Fig. 4 en représente une partie, à plus grande échelle, et
Fig. 5 est une vue d'un détail.
Le dispositif représenté sur les Figs. 1 et 2 comporte un, deux ou plusieurs générateurs 1 en forme de colonne, calorifugés et disposés verticalement côte-à-côte.
Chaque colonne 1 est fermée en bas par la tête discoïde 4a d'un piston 4 qui peut monter et descendre dans un cylindre vertical 5. Le cylindre 5 est monté à bascule., au moyen de tourillons 6, sur un chariot 7. Le piston 4 appuie de bas en haut contre l'extrémité inférieure de la colonne 1 sous l'action d'une pression qui, de préférence, est hydraulique ou pneumatique, et pour vider la colonne, le piston descend, de manière qu'on puisse déplacer le chariot et amener sous la colonne un wagonnet de transport ou une presse pour la glace tombant de la colonne. A la partie supérieure de la colonne est adaptée une tuyère double 2, 3 (Fig. 2) par laquelle on envoie dans la colonne l'eau à congeler et l'acide carbonique liquide à détendre.
La tuyère représentée est une tuyère combinée à tourbillonnement et aspiration qui distribue un litre d'eau sur une surface allant jusqu'à 500 m2; elle com- prend une tuyère intérieure 3, déplaçable ou réglable axiale- ment, dont l'ajutage 3a est guidé et centré dans la tête 2a
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de la tuyère extérieure 2 au moyen de nervures radiales 3b.
La tuyère de dispersion ou d'atomisation disperse ou atomise et mélange l'eau amenée sous pression par la tuyère intérieure avec l'acide carbonique amené par la tuyère extérieure, de telle manière que l'eau se solidifie brusquement. En réglant de manière appropriée la position de la tuyère intérieure, on peut augmenter ou diminuer l'ouverture de sortie de la tuyère extérieure et changer ainsi à volonté le degré d'humidité de la glace ou son refroidissement en-dessous de 0 ou "sous-refroidissement". Par exemple, quand on règle la tuyère de façon que la proportion d'acide carbonique par rapport à l'eau soit d'environ 2,2 on produit de la glace sèche avec un sous-refroidissement de - 2 à - 3 C.
Au lieu d'un dispositif obturateur au bas de la colonne,on pourrait aussi monter un transporteur à fonction- nement continu, par exemple une vis sans fin, qui amène la glace granulée dans un tube relativement étroit dont on peut obturer l'ouverture de sortie.
'On pourrait aussi employer au bas de la colonne, au lieu d'un dispositif obturateur actionné hydrauliquement ou pneumatiquement, un dispositif obturateur mécanique mais qui puisse être rapidement enlevé ou mis en place. En amont de la tuyère on peut employer toute pression supérieure à celle régnant dans la colonne 1. La pression dans la colonne varie suivant la température et est d'environ 31 à 32 atmosphères absolues pour une température de - 3 à - 1 C. Au lieu d'en- voyer à la tuyère l'acide carbonique froid, on peut aussi l'introduire chaud, sous forte pression, à l'état liquide, de manière que la détente se produise directement dans la tuyère ou dans l'étranglement.
Pendant la détente de l'acide carbonique à environ 30 à 32 atmosphères, le refroidissement
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requis pour la congélation du liquide injecté se produit.
La congélation s'opère d'autant plus rapidement et les grains de glace sont d'autant plus petits que la pulvérisation de l'eau est plus poussée. Les vapeurs formées pendant la détente de l'acide carbonique ainsi que pendant la solidification de l'eau sont continuellement aspirées ou évacuées par une conduite d'aspiration 8 d'un compresseur (non représenté), raccordée à l'extrémité supérieure de la colonne 1, elles sont ensuite comprimées par le compresseur, puis liquéfiées pour subir une nouvelle détente. On peut aussi imaginer une disposition de tuyères telle que le cône de dispersion des tuyères à eau croise celui des tuyères à acide carbonique.
Au lieu d'être aspirées par le haut, les vapeurs peuvent aussi être aspirées par le bas, par la conduite 8a, de manière que les vapeurs soient diffusées entre les cristaux de glace tombés au fond, avec ce résultat que par suite de la différence de pression se manifestant de haut en bas entre les espaces situés au-dessus et en-dessous de la masse de glace, celle-ci se forme en masse compacte. Dans les grandes installations,il.est avantageux d'aspirer les vapeurs simultanément par le haut et par le bas.
Quand la colonne de glace est suffisamment haute, on peut mettre en service un autre générateur pendant qu'on retire du bas du premier générateur la glace produite ou pendant qu'on la comprime en blocs de glace au moyen d'une presse. On peut aussi employer le dispositif représenté sur la Fig. l, pour exécuter le procédé en introduisant en haut, par la tuyère 2, seulement de l'acide carbonique, et en introduisant en bas, par une conduite 8b indiquée en pointillés sur la Fig. 1, raccordée éventuellement à une crépine ou à une tuyère de dispersion, le liquide à congeler. Dans ce cas
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on remplit d'abord de préférence la colonne 1 d'acide carbonique liquide jusqu'à un niveau déterminé et on injecte ensuite de l'eau du fond dans le générateur ou dans l'acide carbonique liquide.
Par suite du contact direct intime avec l'acide carbonique liquide froid l'eau se congèle. L'eau congelée ou la glace granulée monte par suite de son poids spécifique moindre que celui de l'acide carbonique, de sorte que la colonne se remplit peu à peu, de haut en bas, de glace granulée. Les vapeurs engendrées pendant le remplissage de la colonne ainsi que pendant l'injection de l'eau sont de préférence aspirées par le haut, puis on les comprime et on les liquéfie ensuite, après quoi on ramène à la colonne l'acide carbonique liquide sous forte pression. Au lieu de remplir le récipient d'acide carbonique par détente, on peut envoyer dans le récipient, sous la pression précitée d'environ 31 atmosphères, de l'acide carbonique déjà prérefroidi, et pendant ce temps il ne se produit alors pas de vapeurs.
Dans la forme d'exécution du dispositif, représentée sur les Figs. 3 à 5, le générateur à colonne 11 est équipé à sa partie supérieure d'une tuyère centrale 12, servant à disperser ou à atomiser l'eau qui lui est envoyée sous pression par la conduite 13 au moyen de la pompe 14, et il comporte plusieurs tuyères 15, réparties en cercle en-dessous de la tuyère 12, qui servent à disperser ou à atomiser l'acide carbonique liquide froid. Au lieu d'une seule tuyère 12 on peut en monter plusieurs. Les tuyères 15 communiquent avec un tuyau distributeur 16, encerclant la colonne 11, qui à son tour est relié par une conduite 18, à travers un condenseur 19,à un compresseur 20 à un étage, dont la
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conduite d'aspiration 21 est raccordée en haut au générateur à colonne 11.
A la conduite 18 est raccordée en amont de la vanne de réglage 10 la conduite d'alimentation 22 pour l'acide carbonique frais.
Dans l'exemple représenté, la colonne 11 du générateur est posée par son extrémité inférieure sur un raccord tubulaire 23, orienté vers le haut, d'un cylindre de presse horizontal 24. Le piston 25 disposé dans le cylindre de presse 24 reçoit son mouvement d'un piston 27 animé d'un mouvement de va-et-vient dans un cylindre 26 sous une pression hydraulique ou pneumatique. L'extrémité du cylindre de presse 24, représentée à droite sur la Fig. 3, est normalement obturée par une plaque 28 qui y est appliquée par une pression hydraulique ou pneumatique agissant sur un piston 30 animé d'un mouvement de va-et-vient dans un cylindre 29, et qui s'écarte du cylindre de presse après que de la glace granulée contenue dans le cylindre de presse a été suffisamment pressée ou comprimée.
Le bloc de glace expulsé du cylindre de presse 25 peut descendre en glissant dans un couloir incliné 31 et on peut le retirer de celui-ci. La glace produite est ainsi pressée, en une seule phase, sans venir en contact avec l'air extérieur, en blocs prêts à être employés.
Après avoir achevé la production de glace, on réduit à au moins 1 atmosphère la pression de travail, d'environ 30 atmosphères, régnant dans la colonne 11. Ceci se fait,suivant le cas,à la partie supérieure ou à la partie inférieure de la colonne, et on dérive les gaz vers le gazomètre de l'installation de fabrication d'acide carbonique ou bien on les aspire au moyen d'un petit compresseur-aspirateur non représenté, spécialement destiné à cette fin, qui
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les comprime et les envoie au raccord d'aspiration du compresseur de glace 20. Quand on emploie plusieurs colonnes, on peut envoyer ces vapeurs dans la colonne qu'on veut mettre en service, de sorte que le compresseur-aspirateur ne doit aspirer que les résidus.
Lorsqu'il y a plusieurs générateurs à colonne, on peut relier la presse au choix à l'une ou à l'autre des colonnes. Il est-parfaitement possible d'employer un assez grand nombre de générateurs à colonne avec un seul cylindre de presse, étant donné que le temps requis pour comprimer une quantité déterminée de glace ne constitue qu'une fraction du temps requis pour produire cette quantité de glace.
Dans le cas d'un seul générateur à colonne on peut évidemment monter la presse à demeure sous la colonne, pour autant qu'on ne doive fabriquer que de la glace en blocs.
Avant le commencement de l'opération de congélation on peut aspirer au dehors l'air de la colonne, le plus simplement au moyen d'un éjecteur actionné par l'eau de refroidissement, pour autant que celle-ci ait une pression suffisante.
Comme liquide à solidifier ou à refroidir on peut employer non seulement de l'eau mais encore tout autre liquide à solidifier ou à refroidir, et comme agent réfrigérant on peut employer tout gaz approprié autre que l'acide carbonique. Lorsqu'on emploie comme agent réfrigérant l'acide carbonique, et qu'on règle de manière appropriée la pression dans la colonne d'expansion, par exemple en la portant à 37 atmosphères, on peut au lieu de solidifier le liquide introduit, le refroidir seulement. Quand il ne s'agit que de
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refroidir des liquides, on peut au lieu d'injecter le liquide dans le bain d'agent réfrigérant, injecter l'agent réfrigérant liquide dans le liquide à refroidir contenu dans la colonne.
Dans ce cas, la colonne peut être constituée par un récipient complètement fermé en bas d'où on soutire par le bas, au moyen d'une conduite tubulaire, le liquide refroidi.
Vis-à-vis de la fabrication connue de glace au moyen de machines frigorifiques, les formes d'exécution décrites du procédé suivant l'invention présentent les avantages suivants:
Le dispositif servant à exécuter le procédé est notablement plus petit, plus simple et meilleur marché que les installations de fabrication connues de même capacité de production et, par conséquent, il prend relativement peu de place; une installation pour la production de 24 tonnes de glace par jour occupe ai maximum 20 m2. Le service d'une installation ayant la capacité de production précitée peut être assuré par un seul homme. Le rendement de l'opération de congélation est beaucoup plus avantageux, car le froid opère à une température de -3 à - 5 C.
Le dispositif est prêt à être mis en service immédiatement et on peut toujours adapter facilement la production de glace à la consommation.
La perte de froid par conduction et rayonnement et la perte due à la chaleur de condensation de l'humidité de l'air atmosphérique se déposant sur les surfaces froides, sont notablement moindres, car la colonne est presque complètement protégée par son calorifuge contre les pertes de froid et par ailleurs sa température intérieure n'est que de -5 C au maximum. Les pertes par dégèlement, qui jusqu'ici étaient de 6 à la$, sont complètement éliminées. Le froid est produit non pas au moyen de gaz toxiques et dangereux, mais par de l'acide carbonique inoffensif qui épure l'eau et tue les microbes.
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Sous ce rapport il est à noter que la fabrication de glace par le procédé de contact à l'acide carbonique décrit à titre d'exemple, permet non seulement de débarrasser de germes l'eau à congeler mais encore d'activer la glace à l'acide carbonique. Cette glace possède une aptitude permanente à tuer les germes. L'acide carbonique conserve la glace parfaitement stérile. L'état actif est dû notamment au fait qu'on amène l'eau à congeler, sous pression, en contact avec de l'acide carbonique liquide sous forte pression.
Le procédé à contact d'eau et d'acide carbonique remplit donc simultanément les 3 conditions suivantes:
1) de débarrasser de germes l'eau à congeler,
2) d'activer la glace elle-même,
3) de congeler l'eau à l'état de glace.
En outre il ne faut pas fournir du froid pour refroidir des moules de congélation et des dispositifs auxiliaires analogues. Suivant ce procédé on peut produire de la glace à teneur d'acide carbonique, une tonne de glace étant apte à absorber 2 à 4 kgs. d'acide carbonique. Pour comprimer les vapeurs refroidissantes il suffit d'un compresseur 7 à 8 fois plus petit que dans les installations connues mentionnées au préambule.
Lors de la fabrication de glace granulée, pour laquelle 12,demande est très grande notamment pour la patisserie et la pêche, on réalise vis-à-vis des dispositifs connus une économie de puissance d'environ 30%.
On peut fabriquer à volonté de la glace sèche exempte d'eau ou de la glace plus ou moins humide, et dans le premier cas on sous-refroidit la glace au degré voulu sans dépense notable de puissance, car dans les variantes d'exé-
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cution décrites du procédé suivant l'invention on procède à la solidification à - 2 à - 5 C et parce qu'on peut opérer un sous-refroidissement au degré voulu en ajoutant un excédent correspondant d'acide carbonique.
Bien que dans les exemples d'exécution décrits du procédé de fabrication de glace, exécutés au moyen des dispositifs des Figs. 1 et 3, on a supposé que la dispersion de l'eau est très poussée, le procédé n'est pas limité pour celà à une dispersion aussi poussée ; est aussi possible de congeler des gouttes d'eau, par l'action directe de l'acide carbonique., dans leur trajet vers la partie inférieure de la colonne ou seulement au fond de la colonne.
REVENDICATIONS
1. Procédé pour solidifier ou refroidir.des liquides, notamment de l'eau qu'on amène directement en contact avec un agent réfrigérant dans .un récipient clos, caractérisé en ce qu'on envoie l'agent réfrigérant, en aspirant en même temps les vapeurs, sous une pression constante supérieure à celle de son point triple, dans un récipient à pression, et on le fait agir à l'état liquide sur le liquidas à solidifier ou à refroidir.