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L'invention concerne une installation munie d'une machine frigorifique à gaz froid, dans laquelle un liquide formé à l'aide de la ma- chine frigorifique à gaz froid, est transporté à l'aide d'une pompe à bulles de vapeur, d'un endroit vers un autre plus élevée Par "machine frigorifi- que à gaz froid", il y a lieu d'entendre une machine frigorifique fonction- nant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud.
Ces ma- chines frigorifiques peuvent être réalisées de plusieurs manières, par exem- ple, comme machine à balayeur, comme machine à double effet, comme machine dont les cylindres sont disposés en V, ou comme machine dont l'enceinte ac- tive est combinée avec celle d'un moteur à gaz chaude De telles machines frigorifiques à gaz froid permettent d'obtenir en un seul stade de très bas- ses températures, par exemple de -200 C Ces machines frigorifiques peu- vent donc servir dans les installations utilisées pour la liquéfaction de fluide gazeux, par exemple l'air, dans les installations séparatrices de gaz et dans les installations à l'aide desquelles on désire obtenir, dans certaines enceintes, une basse température.
Lorsqu'il est question ici d'un liquide formé à l'aide d'une machine frigorifique à gaz froid, il y a lieu d'entendre par là le produit de condensation obtenu à l'aide du froid fourni par la machine frigorifique à gaz froid, qui est fourni soit direc- tement soit indirectement, par exemple à l'aide d'un fluide intermédiaire, à la vapeur.
Dans les installations mentionnées, il sera souvent néces- saire de pomper à une certaine hauteur un liquide à très bas point d'ébullition, par exemple inférieur à -120 C Ce pompage pourrait s'effectuer à l'aide d'installations de pompage connues, par exemple de pompes centrifu- ges Toutefois, ces pompes constituent alors dans l'installation un organe qui demande une surveillance permanenteo
Il y a lieu de noter que l'emploi de pompes à bulles de vapeur est connu, par exemple dans les installations de laboratoire, et dans les machines frigorifiques à absorption, fonctionnant en régime permanent.
La pompe à bulles de vapeur diffère de la pompe à bulles de gaz dans laquelle un gaz à haute pression est insufflé dans le liquide; la pompe dite "Mammouth" en constitue un exemple. Dans la pompe à bulles de vapeur, lesdites bulles résultent de la vaporisation du liquide à pompera
L'emploi d'une pompe à bulles de vapeur dans une installation munie d'une machine frigorifique à gaz froid, dans laquelle un liquide formé par ladite machine doit être transporté vers un endroit plus élevé, peut être considéré comme logique. Toutefois, en général, on évitera l'emploi de pompes à bulles de vapeur parce que leur rendement est médiocre.
La Demanderesse a conçu une forme de construction dans laquelle l'emploi d'une pompe à bulles de vapeur est motivé.
Suivant l'invention, le liquide est chauffé par un contact thermique avec des parties de l'installation qui, par suite du processus se déroulant dans l'installation, se trouvent à une température plus élevée que le liquide. On peut ainsi utiliser efficacement le froid prélevé du liquide à évaporer, de sorte que, malgré le rendement médiocre de cette pompe, on peut néanmoins l'utiliser avec succès.
C'est ainsi qu'il est possible que le liquide soit chauffé à l'aide d'un afflux de chaleur résultant de la différence de température entre l'ambiance et les parties de l'installation.
Dans une forme de réalisation de l'invention, la perte d'isolement de l'installation est utilisée au moins partiellement pour le chauffage du liquide.
Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, on peut utiliser, pour le chauffage, un fluide à refroidir. Dans une installation séparatrice de gaz, le fluide à refroidir peut être, par exemple, le fluide à fractionner.
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L'installation conforme à l'invention peut être utilisée avec succès, surtout lorsqu'elle comporte la colonne rectificatrice, alors qu'un liquide appartenant au système de séparation du gaz est déplacé à l'aide d'une pompe à bulles de vapeuro
Lorsque l'installation comporte une colonne rectificatrice dont on prélève du froid à l'aide d'une machine frigorifique à gaz froid, tandis que le point, ou au moins une partie du liquide formé par la machiné frigorifique est amené à la colonne, se trouve au-dessus de l'ouverture d'évacuation de ce liquide dans la machine frigorifique à gaz froid, le li- quide peut être transporté de la machine frigorifique vers la colonne à l'aide d'une pompe à bulles de vapeuro Cet agencement permet même de disposer, sur une même fondation,
la machine frigorifique à gaz froid et la colonne séparatrice de gazo Le liquide à ramener vers la colonne peut être un fluide intermédiaire qui circule entre la colonne et la machine frigorifique.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, dans laquelle la fraction gazeuse à point d'ébullition le plus bas, s'éehap- pant de la colonne rectificatrice est condensée par une machine frigorifique à gaz froid, au moins une partie du liquide ainsi formé est ramenée à la colonne à l'aide d'une pompe à bulles de vapeur.
Dans une autre forme de réalisation,de la chaleur est prélevée de la colonne rectificatrice à l'aide d'un fluide auxiliaire qui se vaporise dans le condenseur de la colonne, tandis que cette vapeur est condensée à l'aide du froid fourni par la machine frigorifique à gaz froid et le liquide ainsi formé est transporté, par une pompe à bulles de vapeur, vers le condenseur, situé plus haut, de la colonneo
Dans une forme de construction très simple, on a prévu dans la gaine calorifuge de la colonne rectificatrice, en un ou plusieurs endroits où règne une température plus élevée que celle du liquide à déplacer, un ou plusieurs éléments qui sont en contact thermique avec la canalisation dans laquelle se trouve le liquide, de manière que des bulles de vapeur soient formées dans le liquide.
Cette forme de construction permet d'utiliser efficacement, du moins partiellement, les pertes d'isolement de l'installation.
Dans une autre forme de construction simple de l'installation conforme à l'invention,le mélange gazeux à fractionner est en contact thermique avec la partie liquide, contenue dans la cuve d'ébullition, de la fraction à point d'ébullition le plus élevé - installation qui est munie d'une canalisation qui relie l'échangeur de chaleur à la colonne - la canalisation s'étend à l'extérieur de la paroi de délimitation au moins sur une partie de la hauteur de celle-ci, de sorte que le mélange gazeux traversant ce canal de liaison, est en contact thermique, par l'intermédiaire de la paroi de délimitation, avec le fluide qui se trouve dans cette partie de la colonne, tandis que le mélange gazeux traversant cette canalisation est en même temps en contact thermique avec la partie liquide de la fraction à point d'ébullition le plus bas,
de sorte que dans cette partie se produit un effet de pompe à bulles de vapeur.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la paroi de délimitation est entourée d'une seconde paroi, et l'enceinte subsistant entre ces parois forme la canalisation et sur le côté extérieur de la seconde paroi, se trouvent une ou plusieurs canalisations pour la fraction à point d'ébullition le plus bas.
Afin d'éviter que le mélange gazeux traversant la canalisation de communication se condense à l'endroit de la pompe à bulles d'air et s'écoule alors vers le bas, et pour faire en sorte que tout le gaz sot en contact thermique avec le liquide à pomper, dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, on a prévu dans le canal de communication une paroi hélicoïdale, à l'aide de laquelle le fluide à fractionner traverse ledit canal suivant une trajectoire en hélice.
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La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'inventiono
La figo 1 représente une installation dans laquelle une ma- chine frigorifique à gaz froid maintient, dans une enceinte, une basse température requise.
Les figo 2 et 3 représentent une installation séparatrice de gaz, dans laquelle la gaine isolante d'une colonne séparatrice de gaz comporte un écran métallique à l'aide duquel de la chaleur est amenée aux liquides à déplacer. La figo 3 est une coupe transversale, par le plan III-III de la fig. 20
Dans l'installation séparatrice de gaz représentée sur la fig 4, on prélève, d'un fluide à refroidir, de la chaleur qui est transmise au liquide à déplacer.
La fig. 5 représente la machine frigorifique à gaz froid.
L'installation représentée sur la fige 1 est constituée par une machine frigorifique à gaz froid, que des canalisations 2 et 3 relient à un échangeur de chaleur 4, disposé à un niveau plus élevé dans 1'en- ceinte à refroidir 5o Les canalisations 2 et 3, 1'échangeur de chaleur 4, et une enceinte dans la tête de la machine frigorifique à gaz froid forment un circuit fermé dans lequel circule un fluide auxiliaire. Ce fluide auxiliaire, par exemple de l'azote, prélève de la chaleur de l'échangeur de chaleur 4, de sorte qu'il se vaporise et est chauffé. La vapeur surchauffée traverse la canalisation 3 vers la machine frigorifique à gaz froid par laquelle elle est condensée. Le produit condensé est conduit, par la canalisation 2, vers l'échangeur de chaleur 4.
Dans la gaine calorifuge 6 de la machine frigorifique à gaz froid se trouve un écran métallique 7 contre lequel est fixée la canalisation 2 L'écran se trouve en un endroit où règne une température suffisamment élevée, de sorte que dans la canalisation 2 se produit un effet de pompage à bulles de vapeur. Les canalisations 2 et 3 sont juxtaposées sur une partie de leur longueur, de sorte que le liquide de La canalisation 2 est chauffé par la vapeur de la canalisation 3, de sorte qu'il se produit également des bulles de vapeur sur cette partie.
L'installation représentée sur les figo 2 et 3 comporte une colonne séparatrice de gaz, par exemple à matière de remplissage, munie d'une cuve d'ébullition 11; l'ensemble est entouré d'une gaine isolante 12.
Le mélange gazeux à fractionner est amené à l'aide d'un compresseur 13, qui est monté sur l'arbre d'une machine frigorifique à gaz froid 14. La machine frigorifique à gaz froid et le compresseur sont entraînés par un moteur électrique 15. Le compresseur comporte une canalisation d'aspiration 16, munie de cuves 17 et 18, servant à la purification du mélange gazeux à fractionner. Lorsque l'air doit être fractionné, il sera désirable d'en enlever avant le refroidissement la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique, ce qui peut s'effectuer dans le tube 180
Le compresseur 13 comporte en outre une canalisation de refoulement 19 qui est raccordée à un échangeur de chaleur 20, disposé dais la cuve d'ébullition 12 Dans cet échangeur de chaleur,
le mélange gazeux à fractionner est en contact thermique avec le liquide d'ébullition, ce qui provoque le refroidissement du mélange gazeux et l'évaporation du liquide dans la cuve d'ébullition. Le mélange gazeux refroidi dans l'échangeur de chaleur 20 se dirige, par une canalisation 21, vers la colonne où il est fractionné. La fraction à point d'ébullition le plus bas est évacuée du côté supérieur de la colonne et est conduite, par une canalisation 22, vers la machine frigorifique à gaz froid 14, où elle est condensée.
Une partie du liquide ainsi formé est ramenée, par une canalisation 23, à la colonne
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sous forme de reflux, tandis qu'une autre partie est évacuée de l'installation par une canalisation 24 Dans la gaine calorifuge 12 se trouve un écran métallique 25,sur lequel sont soudées les. canalisations 26 et 27, qui forment des embranchements de la canalisation 23 Cet écran métallique se trouve en un endroit tel que si cet écran ne cédait pas de la chaleur, il serait porté à une température plus élevée que celle du liquide à pomper à l'aide d'une pompe à bulles de vapeur. Par suite de la présence de l'écran métallique, la chaleur qui se dirige de l'extérieur vers l'intérieur de la gaine isolante, sera utilisée efficacement pour la formation de bulles de vapeur.
On fournit donc de la chaleur aux canalisations 26 et 27, sous l'effet de laquelle le produit de condensation que contiennent ces canalisations se vaporise et un effet de pompage à bulles de vapeur se produit dans chacune de ces canalisations. De ce fait, le liquide est pompé vers le haut et est amené à la partie supérieure de la colonne. On tire donc parti de la perte d'isolement de la colonne.
La colonne représentée peut être utilisée pour porter à l'état liquide la fraction à point d'ébullition le plus élevé. A cet effet, la cuve d'ébullition 11 comporte deux canalisations d'évacuation 28 et 29 En général, il sera désirable que le liquide soit prélevé en un endroit pas trop bas, car ceci est indésirable pour le personnel préposé.
A cet effet, les canalisations 28 et 29 s'étendent dans la direction verticale et se raccordent à une canalisation commune 30. Pour amener le liquide vers le haut, on utilise également des pompes à bulles de vapeur, qui sont obtenues en soudant les canalisations 28 et 29 à l'écran métallique 25.
La fig. 4 représente une installation séparatrice de gaz, permettant d'obtenir une fraction à point d'ébullition le plus bas.
L'installation est constituée par une colonne séparatrice de gaz 40, remplie de matière de remplissage, par exemple des anneaux Raschig. La colonne comporte, à la partie inférieure, une cuve d'ébullition 41, dont le fond 42 est traversé par un tube 43 qui relie l'enceinte de la cuve d'ébullition à l'air extérieur. Le fond 42 comporte des ailet- tes 43 tandis que le tube 43 comporte des ailettes 45. Ces dernières ailettes comportent des ouvertures 46 qui sont décalées dans des ailettes successives. Les ailettes 45 s'étendent jusqu'à une paroi 47, dont le prolongement entoure concentriquement une paroi 48, qui forme la paroi de délimitation de la colonne, de sorte qu'entre les deux parois se forme une enceinte 49, qui fait office de canal de communication entre la colonne et les enceintes comprises entre les ailettes 45.
La paroi 47 est entourée d'une gaine isolante 55. A sa partie supérieure, la colonne est reliée, par une canalisation 51, à une machine frigorifique à gaz froid 52, et cette machi- ne frigorifique à gaz froid est en outre reliée à la colonne par une canalisation 53 qui longe le côté extérieur de la paroi 47 et qui est soudée à cette paroi. La machine frigorifique à gaz froid comporte en outre une ca- nalisation d'évacuation 54 avec une vanne 55, par laquelle peut être évacuée une partie du produit de condensation formé à l'aide de la machine fri- gorifique à gaz froid. Ladite machine est entraînée par un moteur électrique 56 et sur son arbre est monté un compresseur 57, qui est relié, par la canalisation 58, à l'échangeur de chaleur formé par les ailettes 45.
L'installation fonctionne de la manière suivante. Le' mélange gazeux à fractionner, par exemple l'air, est amené par le compresseur 57, par l'intermédiaire de la canalisation 58, à l'échangeur de chaleur formé par les ailettes 45. Dans cet échangeur de chaleur, l'air est refroidir et les impuretés y contenues sont séparées sur les ailettes. Une partie de la chaleur prélevée de l'air est évacuée par l'intermédiaire du tube 43, du fond 42 de la cuve d'ébullition 41 et des ailettes 44, vers le liquide qui se trouve dans la cuve d'ébullition, de sorte que ce liquide se vaporise.
Une autre partie de la chaleur est transmise, par l'intermédiai-
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re du tube 43, et des ailettes que comporte ce tube, à la partie de la va- peur qui circule, de la cuve d'ébullition, dans le tube.
L'air refroidi et purifié est amené à la colonne par l'intermédiaire de 1-'enceinte formée entre les parois 47 et 48. Dans la colonne, l'air est fractionnée Un liquide riche en oxygène descend dans la colonne tandis que la vapeur s'échappant de la colonne s'élève dans cel- le-ci. A l'aide de la chaleur prélevée de l'air à fractionner, le liquide collecté dans la cuve d'ébullition se vaporise donc à nouveau et une partie de la vapeur ainsi formée est évacuée par le tube 43 A la partie saperiez- re de la colonne se trouve de l'azote à l'état de vapeur et, par l'intermé- diaire de la canalisation 51, cette vapeur est amenée à la machine frigori- fique à gaz froid 52 qui la condense.
Une partie du produit de condensation est évacuée par la canalisation 54, tandis qu'une autre partie est ramenée à la colonne par la canalisation 53. Par la paroi 47, l'azote liquide con- tenu dans la canalisation 53 et se trouvant à une température de -196 c est en contact thermique avec l'air à fractionner, de sorte que dans le produit de condensation contenu dans la canalisation 53 se forment des bulles de vapeur, qui provoquent le pompage de 1-'azote liquidée La paroi hélicoïdale 59 oblige l'air à traverser suivant une trajectoire en hélice les canaux 59, ce qui évite que de l'oxygène condensé descende le long de l'endroit de contact entre la canalisation 43 et la paroi 47 et de plus, tout le fluide est en contact thermique avec la canalisation 53
La fig.
5 représente, à une autre échelle, une machine frigorifique à gaz froid, utilisable dans les installations décrites ci-dessus La machine frigorifique représentée est du type à balayeur, bien que l'on puisse également utiliser d'autres machines frigorifiques à gaz froid, par exemple des machines à double effet.
La machine comporte un cylindre 60, dans lequel se déplacent pratiquement avec un décalage constant, un balayeur 61 et un piston 62 A cet effet, le balayeur est accouplé par un mécanisme de bielles 63, à une manivelle d'un vilebrequin 64, tandis que le piston 62 est accouplé, par un système de bielles 55 à deux manivelles du même vilebrequin 64 Le déplacement du balayeur 61 modifie le volume de l'enceinte de congélation 66, qui communique, par l'intermédiaire d'un congélateur 67, d'un récupérateur 68 et d'un réfrigérant 69, avec une enceinte refroidie 70, dont le volume est modifié tant par le déplacement du balayeur 61 que par celui du piston 62.
La machine frigorifique est entraînée par un moteur électrique 71. Les machines frigorifiques à gaz froid permettent d'obtenir en un seul stade de très basses températures, par exemple de -200 Co
Un fluide à refroidir peut être amené par des ouvertures 72, à une enceinte 73 entourée d'une gaine 74, à propriétés calorifuges.
Dans cette enceinte 73, le fluide est refroidi et quitte la machine frigori. - fique par la canalisation 75 Lorsqu'on amène, dans l'enceinte 73, une vapeur, par exemple de l'azote à une pression d'environ 1 atmosphère, cet azote peut être condensé dans ladite enceinte. Le produit de condensation peut être évacué par la canalisation 54 et être amené partiellement à une colonne séparatrice de gaz.