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Procédé et machine de réfrigération par compression.
Cette invention a pour but des opérations et machines frigorifiques et plus particulièrement des opérations et machines frigorifiques à compression dans lesquelles un mélan- ge de deux ou plusieurs réfrigérants de points d'ébullition différents sont utilisés.
Il a été proposé d'utiliser une cascade de réfrigéra- tion en deux étages dans laquelle le premier étage comprend une machine d'absorption-diffusion et le second un compresseurs Il a aussi été proposé d'utiliser dans le second étage de cet- te machine un mélange de réfrigérants consistant de préférence en un mélange de deux ou de plusieurs hydrocarbures ayant des points d'ébullition différents.
Ce dispositif s'est montré pré- senter deux avantages particuliers, consistant en ce que, en premier lieu, une température plus basse peut en général être
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atteinte, en choisissant un mélange approprié dans le second étage, que si on utilise un réfrigérant pur qui puisse être condensé à la température du premier étage, et qu'en second lieu la réfrigération peut s'effectuer sur un large interval- le de températures en utilisant des réfrigérants mélangés, au lieu de l'être à une température basse unique comme c'est le cas pour un réfrigérant pur.
Dans les dispositions décrites jusqu'à présent pour l'emploi de réfrigérants mélangés, aussi bien dans un compres- seur à étage unique qu'au second étage d'une machine à deux étages, la température la plus basse qui puisse être obtenue correspond au point d'ébullition, à la pression d'obtention la plus faible, du mélange de réfrigérants ayant la composi- tion sous laquelle il entre dans la machine. De plus, cette c composition, et par conséquent, la température la plus basse pouvant être obtenue, ne peut pas varier au-delà d'une certai- ne limite par suite de la nécessité, dans les dispositifs con- nus, de liquéfier la totalité dunmélange par de l'air atmosphé rique ou de l'eau de réfrigération ou dans le premier étage de la machine.
Pour obtenir des températures encore plus basses il est nécessaire, suivant les propositions existantes, d'ajou ter un troisième étage à la machine, ce qui,.rend le dispositif plus compliqué et plus coûteux.
Un but de la présente invention est de créer un procédé et une machine exempts des inconvénients cités plus haut, c'est à-dire un procédé qui permette d'atteindre des températures plus basses dans un étage de compression en utilisant des ré- frigérants mélangés, aussi bien dans le cas d'un procédé à étage unique que dans le cas de réfrigération en cascade, et une machine basée sur ce procédé.
En d'autres termes ou de plus un but de l'invention est de produire avec une machine frigo- rifique à compression utilisant des réfrigérants mélangés, des
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températures plus basses que celles qui peuvent être obtenues autrement avec le même mélange de réfrigérants entre les mê- mes limites de pression en conservant en même temps l'avanta- ge caractéristique de la réfrigération à réfrigérants mélangés; c'est-à-dire l'absorption de chaleur ou la production de froid sur un large intervalle de basses températures.
Dans le procédé de réfrigération par compression corres pondant à l'invention, qui opère avec un mélange de réfrigé- rants gazeux de points d'ébullition différents, la condensa- tion du mélange gazeux après compression a lieu en deux étages au moins et la partie liquide et la partie gazeuse provenant du premier étage de condensation sont séparées l'une de l'autr- physiquement (c'est-à-dire passent dans des conduites diffé- rentes), la partie gazeuse étant condensée dans un ou plusieur étages de condensation subséquents.
La réfrigération nécessaire pour le premier étage de condensation peut être effectuée au moyen d'air atmosphérique ou d'eau de réfrigération lorsque le procédé est effectué dans une machine à étage unique. D'autre part, si l'opération fait partie d'un second ou d'un étage ultéieur d'un système de réfri gération en cascade, la réfrigération.du premier étage de con- densation peut être effectuée par le réfrigérant du premier étage ou de l'étage précédent du système en cascade.
Le procédé de réfrigération par compression suivant la présente invention peut être effectué au moyen de deux réfri- gérants, par exemple l'éthylène et le propane dans le cas d'u- ne opération à un seul étage, ou l'éthylène et le méthane s'il constitue le second étage d'un système de réfrigération en cascade. Dans ce cas, la partie gazeuxe restant après le premie@ étage de condensation est généralement complètement condensée quand elle est soumise sous pression à un second étage de con- densation par réfrigération en contact thermique avec au moins @
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une partie de la partie liquide qui s'évapore à une pression plus basse.
La dernière partie condensée est alors évaporée à une pression plus basse pour produire du froid sur un inter- valle de température et accomplit par conséquent la tâche de réfrigération nécessaire.
La condensation de la partie gazeuse peut être effectué: par l'évaporation de la totalité de la partie liquide ou seu- lement d'une partie. La proportion de mélange gazeux condensé dans le premier étage de condensation est réglée de manière à satisfaire à chacune de ces conditions. Dans le cas ou l'éva- poration d'une partie seulement de la partie liquide est uti- lisée pour condenser la partie gazeuse, l'évaporation du res- tant de la partie liquide peut âtre utilisée pour effectuer une partie de la tâche de réfrigération de l'opération.
L'invention consiste également en une machine frigori- fique par compression fonctionnant au moyen d'un mélange de réfrigérants à point-s d'ébullition différents, qui comprend un compresseur, des organes de réfrigération pour la condensa- tion partielle de ce mélange après compression, des organes pour séparer physiquement les parties gazeuses et liquides for- mées par la condensation partielle et un condenseur évaporateur dans lequel une partie ou la totalité de la partie gazeuse sous pression peut être liquéfiée par réfrigération au contact thermique avec une partie au moins de la partie liquide s'é- vaporant à une pression plus basse.
En utilisant le procédé de réfrigération par compression de l'invention, la température la plus basse pouvant être obte- nue n'est désormais plus fixée par le point d'ébullition à la pression d'obtention la plus basse des réfrigérants mélangés de la composât!-en initiale. Ainsi, Avec un mélange de deux ré- frigérants tel que séparé dans le premier étage de condensation en une partie liquide plus riche en composant moins volatil et une partie gazeuse plus riche en composant plus volatil que le mélange initial, la température la plus basse pouvant être ob- @
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tenue est le point d'ébullition, à la pression d'obtention la plus basse, de cette nouvelle partie gazeuse, qui est infé- rieur à celui du mélange initial.
De plus, puisque dans le procédé de +'invention, la totalité dunmélange gazeux de réfrigérants n'est pas liquéfiée en un étage, un grand domaine est crée pour le choix de la com position des réfrigérants mélangés. Plus particulièrement, il permet d'utiliser un mélange de réfrigérants contenant un pour centage plus élevé de composants plus volatils que ce ne serai le cas autrement.
Dans une méthode d'exécution du procédé de l'invention un mélange de réfrigérants gazeux de composition appropriée est comprimé à une pression à laquelle une certaine partie de ce mélange peut être condensée dans l'air atmosphérique ou de l'eau de réfrigération, si le réfrigérant mélangé est utilisé dans le second étage d'une cascade, par le réfrigérant du pre- mier étage de la machine. La partie liquéfiée du réfrigérant mélangé, qui est plus riche en composants moins volatils, et la partie gazeuse qui est plus riche en composants plus volatil sont alors séparées et introduites dans des conduites séparées: c'est-à-dire sont séparées physiquement l'une de l'autre.
La partie gazeuse du réfrigérant mélangé, avec ou sans réfrigération préalable appropriée, est partiellement ou com- plètement liquéfiée au contact thermique de la partie liquide qui s'évapore à une pression plus basse. Ensuite, le liquide provenant de ce second étage de condensation est lui-même dé- tendu à une pression plus basse, de préférence à la pression atmosphérique et atteint ainsi une température très basse. Ce liquide froid peut être déparé sur un large intervalle de bas- ses températures, et sert ainsi à liquéfier un gaz condennable ou à effectuer une autre tanche de réfrigération appropriée.
Les deux parties dans lesquelles le réfrigérant mélan-
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gé a été séparé sont réunies à nouveau et le cycle peut être répété.
Une forme d'appareil frigorifique construit et fonction nant suivant l'invention est représentée schématiquement dans le dessin en annexe, et est décrit dans ce qui suit, en même temps que son mode opératoire -
En se référant au dessin, les réfrigérants gazeux mé- langés, qui peuvent être de l'éthylène et du propane en propor tions équimoléculaires, sont stockés dans le réservoir 11 d'où ils passent par la vanne 12 dans le compresseur 13, puis sont pompés à une pression pouvant être de 20 atmosphères, dans le système de réfrigération. La quantité de gaz pompée dans l'ins tallation est estimée au moyen du manomètre 31 et lorsqu'une quantité suffisante a été transférée, la vanne 12 est fermée et la réservoir de stockage est alors isolé du système.
Les gaz quittant le compresseur 13 traversent en premier lieu le serpentin 14 du post-réfrigérateur 15 dans lequel ils sont réfrigérés par l'eau entrant en 16 et sortant en 17. Ils des- cendent ensuite à travers le serpentin du réfrigérant à eau 19 dans lequel ils sont refroidis davantage et partiellement con- densés par l'eau entrant en 20 et sortant en 21. ]L'extension de la condensation est déterminée par la composition initiale du mélange gazeux, la pression de travail et la température de l'eau de réfrigération.
Les gouttes de liquide formées dans le serpentin 18 sont entraînées vers le bas par les gaz restan+ à travers le serpentin 22 de l'appaeeil 23 dans lequel une ré- frigération supplémentaire, et par conséquent une condensation supplémentaire, sont effectuées par des gaz froids faisant re- tour d'une partie plus éloignée du système vers le compresseur 13 et entrant en 24 et sortant en 25. Les parties liquide et gazeuse sont séparées à l'extrémité inférieure de l'appareil 23, la partie liquide étant séparée par la conduite 26 du fond
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et la partie gazeuse par la conduite 27 latérale.
Dans le but de réduire à un minimum l'entraînement des fines gouttes de liquide par le courant gazeux, les deux parties traversent un appareil d'agglomération 28 qui produit la coalescence de gouttes lorsqu'elles traversent l'extrémité inférieure de l'appareil 23. La partie liquide sortant par la conduite 26 descend alors à travers le serpentin 29 du sous- réfrigérant 30 dans lequel elle est refroidie en dessous de s son point d'ébullition à la pression de travail par les gaz de retour froids passant vers le haut à travers le réfrigé- rant 30, en entrant en 33 et sortant en 34 comme on le voit d'après la ligne pointillée.
Le liquide refroidi se divise a- lors en deux courants dont l'un traverse la vanne d'expansion 35 et l'autre la vanne d'expansion 36 en se détendant dans chaque cas à une pression plus faible, qui peut être la pres- sion atmosphérique. Le liquide qui a traversé la vanne 35 est alors conduit dans l'évaporateur-condensateur 37 dans lequel il s'écoule vers le bas sur la serpention 38 et évapore à la pression plus basse, en refroidissant la charge introduite au- dessous du serpentin 38 par la vanne 39. Le liquide passant par la vanne 36 s'évapore de façon semblable à la pression plus basse dans l'évaporateur-condensateur 40 où il refroidit la partie gazeuse provenant de l'appareil 23 et traversant le serpentin 41 vers le haut.
Cette partie gazeuse est condensée en passant à travers l'évaporateur- condenseur 40 et le liqui- de passée par la vanne d'expansion 4a, en se détendant à une pression plus basse, et à cette pression plus basse, qui peut- être la pression atmosphérique, entre dans l'évaporateur-con- denseur 43 qu'il traverse vers le bas au dessus du serpentin 44 et s'évapore pour refroidir davantage la charge qui vient du serpentin 38 et passe vers le haut à travers le serpentin 44 de l'évaporateur condenseur 43.
Les liquides qui s'évaporant
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descendent sur les serpentins dans chacun des évaporateurs- condenseurs 37,40 et 43, et les gaz: formés passent également @ vers le bas puis vers le haut à travers le noyau-de chaque é- vaporateur-condenseur pour sortir à la partie supérieure de chaque évaporateur-condenseur. Les gaz froids qui quittent les évaporateurs-condenseurs 37,40 et 43 respectivement aux points 45,46 et 47 passent ensemble dans le sous-réfrigérant 30 en 30 et traversent vers le haut le sous-réfrigérant 30 puis traversent l'appareil 23 vers le compresseur 2, comme l'in dique la ligne pointillée et les flèches. La ligne pointillée représente le courant des réfrigérants à la pression plus bas- se.
En faisant fonctionner l'appareil décrit ci-dessus com- me machine frigorifique à étage unique avec un mélange d'é- thylène et de propane en proportions équimoléculaires, et à une pression de travail de 20 atmosphères absolues et une près sion de retour d'une atmosphère absolue, l'eau de réfrigéra- tion étant introduite à 10 C, les résultats suivants sont ob- tenus :
Température d'entrée du milieu réfrigérant dans l'appa- reil 43 : -92 C
Température de sortie de ce milieu de l'appareil 43 : -70 C
Température d'entrée dans l'appareil 37 : -70 C
Température de sortie de l'appareil 37 :
-55 C
Ainsi du froid est fourni à la charge passant à travers les appareils 37 et 43 sur un intervalle de température com- ris entre -92 C à -55 C. Le froid produit est trouvé être de 55,2 frigories par Kgr de réfrigérants mélangés passant par le compresseur.
Le gradient sur lequel le froid est fourni peut être réparti en plusieurs étages de sorte que si la charge est com- posée d'un mélange de gaz, les fractions liquides formées à
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différentes températures peuvent être séparées pendant qu'on continue à faire passer la partie gazeuse restante plus avant dans l'échangeur pour être séparée à une certaine température plus basse.
Dans l'appareil décrit et représenté, la partie liquide traversant le serpentin 29 du sous-réfrigérant 30 est divisée en deux courants, mais les conditions de travail peuvent être choisies de telle sorte que la quantité- des réfrigérants con- densée dans les/réfrigérants 19 et 23 soit telle que l'évapo- ration de la totalité de ce condensat à la pression plus basse soit nécessaire pour condenser la partie gazeuse traversant le serpentin 41. Dans ce cas, l'évaporateur-condenseur 37 peut être supprimé et la totalité de la tâche de réfrigération est effectuée par l'évaporateur-condenseur 43.
Il est également possible par le procédé de l'invention d'utiliser un mélange de trois réfrigérants gazeux par exemple le propane, l'éthylène et le méthane. La pression de travail peut alors être choisie de manière que dans l'étage initial, une proportion plus faible du mélange réfrigérant soit conden- sée. Une partie de c e mélange peut être utilisée pour produire la condensation d'environ la moitié de la partie gazeuse res- tante dont une partie est utilisée à son tour pour liquéfier complètement la vapeur restant encore.
Un tel système permettrait d'ajouter un autre échangeur pour refroidir la charge à une température disons de -90 C à -120 C et ainsi une unité frigorifique unique peut traiter un mélange de gaz d'une complexité, notable.
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R E V END l C. A T l 0 Ii B.
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