<Desc/Clms Page number 1>
PERFECTIONNEMENTS AUX: PROCEDES ET APPAREILS DE..REFROIDISSEMENT.
La présente invention est relative à un procédé de refroidissement ou de refroidissement et de condensation d'un fluide, et à un appareil d'échan- ge de chaleur à utiliser pour Inapplication du procédé.
Il est connu, dans lart du refroidissement ou du refroidissement et de la condensation des gaz, dutiliser un mélange de réfrigérants liquides de différents points d'ébullition et de faire ruisseler le mélange vers-le bas à la surface de tubes dans lesquels on introduit le gaz ou le mélange de gaz devant être refroidi ou refroidi et liquéfié, le mélange réfrigérant se vaporisant.au cours de son mouvement vers le bas.
De cette manière, puis- que la vapeur libérée du mélange réfrigérant contient une plus grande quanti- té du constituant bouillant le plus bas que le liquide réfrigérant restant, la concentration du constituant ou des constituants bouillant plus haut aug- mente à mesure que le liquide sévapore et, par conséquent,, la température d9ébullition du liquide augmente graduellement vers l'extrémité inférieure de l'échangeur de chaleur.
On crée ainsi un gradiant de température le long de l'appareil, la température la plus basse se trouvant au sommet et la température la plus élevée au fond,.
La température la plus élevée dépasse celle atteinte en utilisant une simple évaporation en masse d'un mélange réfrigérant liquide dont la com- position du mélange réfrigérant reste pratiquement la même sur tout le trajet, puisque la composition de la vapeur du réfrigérant reste approximativement la même que celle du liquide réfrigérant et que, par conséquent, la tempéra- ture du liquide réfrigérant est substantiellement uniforme sur toute la sur-
EMI1.1
face de 19échangeur.
La température la plus basse à l'autre extrémité du gradiant de température est toutefois inférieure à celle produite par l'évaporation en
<Desc/Clms Page number 2>
masse telle que décrite ci-dessus, et il en résulte que le refroidissement équivalent ou la liquéfaction complète du gaz ou des gaz mixtes dans les tubes de l'échangeur qui utilise un mélange réfrigérant de manière à produire un gradiant de température à l'extérieur des tubes, peut être réalisée à l'aide d'une pression de marche plus faible,* et par conséquent avec une dépense plus faible d'énergie que ce qui est nécessaire à l'évaporation en masse.
Le but principal de la présente invention est de crééer un procédé perfectionné de refroidissement ou de refroidissement et de condensation d9un fluide., en utilisant un mélange de réfrigérants liquides à points débullition différents.
Le procédé de refroidissement ou de refroidissement et de conden- sation d'un fluide, suivant la présente invention, consiste à conduire le flui- de à refroidir ou à refroidir et à condenser, vers le haut à travers un tube enroulé en hélice renfermé à l'intérieur d9un réservoir et à faire passer un mélange de réfrigérants liquides à différents points d'ébullitiQn vers le bas à travers une conduite enroulée en hélice de façon analogue ayant la forme d'un canal ou d'une auge ouverte à sa face supérieure à l'intérieur du réser- voir et associée au tube enroulé de manière qu'un courant liquide de réfrigé- rant, qui sévapore de façon continue, et possède une température qui augmente progressivement vers le bas à travers le réservoir,
vienne en contact avec au moins une partie de la surface du tube enroulé sur la totalité ou la plus grande partie de la longueur enroulée du tube.
Un échangeur de chaleur pour l'application du procédé décrit ci- dessus comprend un réservoir, un tube enroulé en hélice apte à faire passer le fluide de charge, c'est-à-dire le fluide devant être refroidi ou refroidi et condensé, à travers l'intérieur du réservoir du fond jusqu'au sommet., considéré dans sa position d'emplois et une conduite enroulée en hélice de façon analogue, ayant la forme d'un canal ou d'une auge ouverte à l'intérieur du réservoir et apte à faire passer du liquide réfrigérant à travers le réser- voir du sommet vers le fond, cette conduite enroulée étant associée au tube enroulé cité de manière que du réfrigérant liquide dans la conduite soit en contact avec au moins une partie de la surface du tube sur la totalité ou la plus grande partie de la longueur enroulée de ce tube.
Dans un dispositif de ce genre, le liquide réfrigérant est intro- duit à 1-'extrémité du canal ou de l'auge à l'extrémité supérieure de l'échan- geur et s'évapore dans l'espace du réservoir pendant qu'il suit la trajectoire en hélice dirigée vers le bas dans le canal ou l'auge.
Le canal ou l'auge peuvent être formés de façon très avantageuse en enroulant le tube en hélice à 1 'extérieur d'un tube intérieur qui s'étend axialement à l'intérieur du réservoir, et en fixant un ruban métallique héli- coïdal en contact soudé à une partie de la surface extérieure du tube hélicoï- dal écartée du tube intérieur et sur la totalité ou la plus grande partie de la longueur enroulée du tube, de manière à former avec la paroi du tube et la surface supérieure du tube enroulé un canal ou une auge hélicoïdale conti- nue dont la paroi extérieure est formée par le ruban métallique espacé de la paroi du réservoir,
Deux ou plusieurs tubes enroulés en parallèle peuvent être utili- ainsi qu'un canal ou une auge séparée de liquide réfrigérant associée à chaque tube enroulé,
ou bien un canal ou une auge peuvent être associés à deux ou plusieurs tubes enroulés.
Le pas des spires du tube enroulé en hélice et du canal ou de l'au- ge de réfrigérant peut être uniforme sur toute la longueur de l'échangeur.
Toutefois, dans certains circonstances, il est désirable de créer une certaine variation de pas du serpentin sur-la totalité ousur une partie de la longueur de l'échangeur pour faire varier le trajet d'évaporation du liquide réfrigérant suivant la nature de la charge à refroidir, ou à refroidir et liquéfier, et d'autres conditions de marche. Par exemple, dans le cas où la charge est approximativement uniforme sur toute la longueur de l'échangeur,
<Desc/Clms Page number 3>
il peut être désirable de réduire le pas du serpentin à la partie inférieure
EMI3.1
de 19échangeur de manière à maintenir dans l'auge, un niveau relativement élevé de liquide, bien qu'une quantité considérable de liquide ait été évapo- rée.
D'autre part, si la charge varie de façon considérable sur la longueur de l'échangeur, le pas peut être choisi plus petit dans les sections où la charge est élevée et plus grand là où la charge est faible. De cette manière, une plus grande surface du tube est mise en contact du réfrigérant liquide dans les sections de l'échangeur où une quantité plus grande de chaleur doit être transférée. En général, le pas du tube enroulé est choisi en relation avec la longueur de l'échangeur pour aboutir à compléter exacte- ment l'évaporation du mélange réfrigérant au cours de son parcours sur la lon- gueur destubes enroulés.
La profondeur du canal hélicoldal ou de l'auge, au moins dans la
EMI3.2
partie supérieure de l'échangeur, peut être telle queelle renferme la partie inférieure de la spire du tube enroulé située immédiatement au dessus du canal ou de l9auge, de sorte que la où le volume du courant de liquide réfrigérant est le plus fort, qu'il puisse recouvrir à .la fois la surface supérieure de
EMI3.3
la spire d9un serpentin au dessus de laquelle il s'écoule et la surface infé- rieure de la spire du serpentin située immédiatement au dessus.
Des moyens peuvent être prévus pour permettre au liquide refroi-
EMI3.4
di ou refroidi et condensé deêtre soutiré en des points appropriés de la lon- gueur du ou des tubes hélicoïdaux.,
1'invention est illustrée à titre d'exemple sur les dessins en annexe sur lesquels la Fig. 1 est une vue en élévation en partie en coupe d'un appareil d9échangeur correspondant à l'invention, la Fig. 2 est une vue en coupe à échelle plus grande représentant un exemple de construction de l'auge et la Fig. 3 représente un détail.
La Fig. 4 est une vue en élévation en coupe représentant une autre disposition.
Les figs. 5 et 6 sont des vues en coupe respectivement en éléva- tion et en plan d'un dispositif de soutirage de liquide d'un échangeur du même
EMI3.5
genre général que celui représenté sur les Figs. 1 à 39 la fig. 6 étant prise suivant la ligne VI-VI de la fige 5.
EMI3.6
Les F igso 7 et 8 sont des vues en coupe en élévation de disposi- tifs pour le soutirage de liquide d'un échangeur du même genre que celui re- présenté sur la fige 4.
EMI3.7
En se référant aux dessins, Figs.
1 à ,9 l'élément d9échsn.ge de chaleur qui y est représenté comprend un tube d'acier intérieur 1, de diamètre
EMI3.8
intérieur d'environ 10 cm (4 pouces'), ayant une épaisseur de paroi de 6 mm (1/1 pouce) et une longueur de 75 cms (30 Pouces), portant une plaque de chicane 2 soudée à 1-'intérieur à environ 7,5 cm (3 pouces) de l'extrémité supérieure pour former un bassin 3 à l'extrémité supérieure du tube 1. A l'extérieur du tube 1 utilisé comme formateur, on enroule en parallèle, dans le cas repré- senté, deux tubes de cuivre de 9 mm (3/8 pouces)4-et 5, et le pas de l'hélice de chaque tube est de 25 mm (1 pouce) de sorte que dans ce cas, les spires des deux tubes sont entrelacées.
Les tubes enroulés 4 et 5 sont soudés au moyen d'un joint continu à la ligne de contact avec le tube 1 comme on le mon-
EMI3.9
tre en 6 sur le Fig. 2 pour former une connexion rigide entre les tubes 4 et 5 et le tube 1.
Des rubans 7 de métal de mince calibre, dune largeur par exemple de 15 mm (5/8 pouces) sont soudés chacun à chacun des tubes enroulés 4 et 5 de manière que les arêtes inférieures des rubans 7 viennent en contact soudé
EMI3.10
avec les tubes 4-t 5 le long.. de la ligne 8 de diamètre .maximum- des tubes . et 5 (Figo 2),.9 et-.que les corps des rubans sétendent -vers le haut à partir du Joint. ,,
EMI3.11
On forme ainsi deux auges hélicoïdales 9 Fig. 2, le long de la
<Desc/Clms Page number 4>
totalité ou substantiellement de la totalité de la longueur enroulée de chaque tube 4 et 5, chaque tube lui-même formant le fond dune auge et les parois la- térales des auges étant formées par des parties de la paroi du tube 1 et par les rubans fixés 7.
Pour les dimensions et le pas du tube enroulé tels que mentionnés plus haut, le bord supérieur 10 de chacun des rubans 7 dépasse 'la partie in- férieure de la spire de tube située immédiatement au dessus de celle à laquelle le ruban est soudée comme on le voit sur la Fig. 2 et dans ce cas les rubans
EMI4.1
7 se déploient vers 19extérieur vers le haut pour former aux faces supérieures les espaces libres 11 servant au dégagement de la vapeur des auges 9.
EMI4.2
Le réfrigérant qui s9écoule dans les auges 9 peut dans ce cas ve- nir en contact n'On seulement avec le tube auquel est fixé le ruban de métal 7 formant cette auge.
mais également avec le tube immédiatement supérieur,
EMI4.3
et ceci représente une disposition avantageuse tout au moins quand on l'appli- que à la partie supérieure de léchangeur dans laquelle le volume de réfrigérant non-évaporé reste élevé.
Il faut toutefois remarquer que si on fait varier le pas des tubes enroulés 4 et 5 et dans certains cas également la largeur des rubans métalliques 7, les bords supérieurs 10 des rubans de métal peuvent être situés en dessous du fond, immédiatement au dessus, sur une partie ou sur la totalité
EMI4.4
de la longueur de l.9éoangeur.
Les deux auges 9 se terminent à leurs extrémités supérieures en des points qui correspondent respectivement à une paire d'ouvertures 12 de la paroi du tube 1 sur des faces diamétralement opposées du fond du bassin 3 à l'extrémité supérieure de ce tube.
EMI4.5
La construction décrite ci-dessus est entourée d9une enveloppe extérieure tubulaire 13 fermée à chaque extrémité par des plaques terminales 14 et 15, formant le réservoir. Un tube dalimentation 16 du liquide réfri- gérant traverse et est soudé à la plaque terminale supérieure 14 et sert à
EMI4.6
amener le liquide dans,le bassin 3 d9oû il s9écoule par les ouvertures 12 dans les auges 9.
A 1-qextrémité inférieure du tube axial 1 immédiatement au dessus de la plaque terminale inférieure 15, se trouvent un certain nombre d9orifices 17 répartis sur la circonférence à travers lesquels les vapeurs du réfrigérant
EMI4.7
évaporée après sgétre déplacées vers le bas entre l'enveloppe 13 et le noyau formé par le tube 1, les serpentins 4 et 5 et les rubans 7, passent à l'inté- rieur du tube 1 qu'elles traversent vers le haut pour être évacuées par un tube 18 soudé dans la plaque de couvercle supérieure 14. et le centre de la plaque 2.
Les deux tubes enroulés 4. et 5 sont raccordés à leurs extrémités inférieures à une tubulure commune 19 fixée en dessous de la plaque terminale inférieure, et dans laquelle on introduit le gaz ou fluide devant être refroidi ou refroidi et liquéfié par un tube 20, et leurs extrémités supérieures 21 et 22 aboutissent à travers la plaque du couvercle supérieure 14 à une tubu- lure commune 23 et un tube de sortie 24.
Pendant la marche, les gaz ou une autre charge fluide devant être refroidie ou refroidie et condensée, sont conduits du tube 20 et de la tubu-
EMI4.8
lure 19 aux extrémités inférieures des tubes enroulés 4 et queils parcourent vers le haut.
On introduit le mélange de liquides réfrigérants dans le bassin 3
EMI4.9
par le tube 16, et il spécoule de là par les ouvertures 12 pratiquées dans les parois du bassin 3 dans les extrémités supérieures des auges 9.
EMI4.10
Le liquide réfrigérant s9écoule en spirale dans les auges 9 et on règle le débit de la charge et d"autres conditions de marche de manière que la totalité du réfrigérant liquide qui s9êcoule dans les auges 9 soit entiè- rement évaporée endéans le temps pendant lequel le courant liquide atteint
EMI4.11
les extrémités Inférieures des auges. La vapeur libérée au cours de l9évapcm ration du mélange liquide descend entre le noyau formé par le tube 1, les tu- bes en serpentins 4 et 5 et les rubans métalliques 7 et l'enveloppe 13 pour
<Desc/Clms Page number 5>
passer par les ouvertures 17 à l'intérieur du tube 1 dans lequel elle s'élève et se dégage par le tube 18.
Cette vapeur est plus riche en constituant bouillant le plus bas que le liquide sur lequel elle- passe et en outre, pour donner lieu à la créa- tion du gradiant de température désiré, il peut favoriser l'évaporation du liquide restant.
Dans l'échangeur décrit ci-dessus en se référant aux Figs. 1 à 3, les deux tubes 4 et 5 sont enroulés pour former des hélices semblables.
Sur la fig. 4. on représente une autre disposition dans laquelle un certain nombre de tubes, dans le cas actuel trois tubes 25, 26 et 27 sont enroulés pour former des hélices de pas semblables mais de différents diamè- tres tels que les trois hélices puissent être disposées coaxialement à l'in- térieur l'une de l'autre avec des sections élémentaires des tubes alignées et en contact l'une avec l'autre dans le sens radial du tube axial 1.
Les trois tubes sont soudés l'un à l'autre, et le tube intérieur est soudé au tube axial l, et un seul ruban métallique 7 est appliqué en contact soudé à la surface extérieure du tube extérieur 25 seulement, sur la totalité ou la plus grande partie de sa longueur enroulée, de manière qu'une partie de la surface supérieure de chacun des trois tubes soit incluse dans la paroi de fond d'un canal ou d'une auge hélicoïdale unique continue et qu'un courant de liquide qui s'écoule-vers le bas à travers ce canal soit en contact avec les trois tubes.
Dans la construction suivant la fig.4, trois ensembles de trois tubes 25, 26 et 27 et un ruban 7 sont disposés en parallèle avec les spires des ensembles entrelacées, mais il est à remarquer que ceci n'est donné qu'à titre d'exemple et qu'un ou qu9un nombre quelconque convenable d'ensembles peut être utilisé.
Dans certains cas et particulièrement dans le cas où des gaz sont refroidis et condensés, il est souvent désirable de pouvoir soutirer un conden- sat du ou des tubes enroulés en certains points à l'intérieur de l'échangeur.
Sur les figs. 5 et 6, on représente un dispositif dans ce but ap- plicable à un échangeur du genre général décrit en se référant aux Figs. 1 à 3, mais représenté sur les figs. 5 et 6 comme ayant trois tubes en hélice sé- parés enroulés parallèlement.
Sur les figs. 5 et 6, des pièces de joint en forme de T, 28, sont insérées dans les tubes enroulés à des endroits appropriés choisis sur la hauteur verticale de l'échangeur, ces pièces de joint étant raccordées à des tubes 29 soudés dans des troue de la paroi du tube axial 1 qui passent à l'intérieur du tube 1, le suivent vers le bas et en sortant à l'extrémité in- férieure du réservoir. On peut laisser le condensat s'accumuler dans le ou les tubes 29 et les soutirer par la manoeuvre d'un robinet (non représenté) prévu dans le ou les tubes 29 en dessous de l'extrémité inférieure de l'échan- geur.
La construction suivant les figs. 5 et 6 peut d'ordinaire être réalisée en n'influençant que peu ou pas du tout le pas des tubes en hélice 4 et 5 aux points où les pièces de joint 28 sont insérées, et par conséquent sur la longueur totale de l'échangeur.
Sur la fig. 7, on représente un dispositif pour le soutirage d'un choisi parmi les quatre tubes hélicoïdaux alignés radialement à la manière des trois tubes 25, 26 et 27 de la fig. 4., deux séries comprenant chacune qua- tre tubes enroulés en hélice et chaque série, munie de son propre canal ou auge, étant représentée dans ce cas.
Dans cet exemple, une pièce de joint 30 est prévue dans un tube choisi 31, raccordé à sa face inférieure à un tube de soutirage 32, soudé dans un orifice de la paroi du tube axial 1 et passant vers le bas à l'intérieur de ce dernier et à travers le fond de l'échangeur.
Dans la disposition représentée sur la fig. 8, présentant également
<Desc/Clms Page number 6>
deux séries comprenant chacune quatre tubes hélicoïdaux disposés en spires situées radialement vis-à-vis les unes des autres.. chaque tube d'une série est raccordé par des pièces de joint 33 à une tubulure 34 disposée à
EMI6.1
19extrémîté d'un tube de soutirage unique 35 soudé dans la paroi du tube axial l, passant vers le bas â, l'intérieur de ce dernier et traversant le fond de l'échangeur.
L'écoulement du condensat peut dans ce cas s'effectuer simul- tanément des quatre tubes hélicoïdaux dans la tubulure 34 et le tube 35.
EMI6.2
D.s la disposition représentée sur les Figs. 7 et 8, il peut ê- tre nécessaire d'augmenter l'espacement entre les deux spires adjacentes de
EMI6.3
lehélice au point de raccord du tube de soutirage mais cette augmentation de la longueur de 19hélice est petite par rapport à la longueur de l'échangeur.
Les tubes de soutirage 29, 32 ou 35 peuvent avantageusement être rétrécis du fait qu'ils traversent l'extrémité inférieure de l'échangeur, qui correspond à l'extrémité du gradiant de température ayant la température la plus élevée.
REVENDICATIONS. la Procédé de refroidissement ou de refroidissement et condensa-
EMI6.4
tion d9un fluide caractérisé en ce q4-lon fait passer le fluide devant être refroidi ou refroidi et condensé, vers le haut à travers un tube enroulé en hélice enfermé à l'intérieur d'un réservoir, et qu'on fait passer un mélange de réfrigérants liquides à différents points d'ébullition, vers,le bas à tra- vers une conduite enroulée en hélice de façon semblable, ayant la forme d'un canal ouvert à sa partie supérieure à l'intérieur du réservoir et associée
EMI6.5
au tube enroulé en hélice de manière quun ebuf-uù liquide de réfrigérant qui s'évapore continuellement et se trouve à une température augmentant progres- sivement vers le bas à travers le réservoir,
est mis en contact avec au moins une partie de la surface du tube enroulé en hélice sur la totalité ou la majeure partie de la longueur enroulée en hélice de ce tube.