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'ECHANGEUR DE CHALEUR " .
La présente invention concerne les appareils pour l'échange de chaleur entre liquides et elle a pour objet un échangeur de chaleur de construction perfectionné.
On a éprouvé de la difficulté, dans le passé, à construire un appareil pour l'échange de chaleur entre liquides de manière à assurer une vitesse suffisamment-.. grande de transfert de chaleur avec un appareil d'en- combrement donné, aussi bien qu'à établir 1.'appareil à un prix de revient relativement bas. Dans bien des installations antérieures, la dépense de fonctionnement
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et les frais d'entretien étaient également excessifs.
Parmi les facteurs les plus. importants, entrant en ligne de compte dans le fonctionnement d'un échangeur de cha- leur, qui affectent 1'3-obtention des résultats désirés, il faut citer la .conductibilité thermique du moyen sépa- rateur, la vitesse à laquelle les liquides se meuvent aur les surfaces de ce moyen et la viscosité des liquides. auxquels on a affaire*
L'importance d'une haute conductibilité ther- mique a toujours été reconnue et, chaque fois qu'il est possible de lefaire on emploie pour le moyen séparateur des matières telles, par exemple, que le cuivre. Toutefois, les. mesures à prendre pour des conditions de vitesse appro- priées et pour assurer un rapide transfert de chaleur avec des liquides visqueux aussi bien qu'avec des liquides mobiles constituent un problème plus difficile.
Bans la construction d'échangeurs de chaleur du type en question, on a l'habitude d'établir le moyen séparateur sous. la forme d'un.au plusieurs tubes ou con duits- dont l'extérieur est immergé dans une messe de l'un des liquides alors que l'autre liquide passe dans- leur intérieur. En supposant qu'on doive faire usage de l'appareil pour une réfrigération, avec le liquide à refroidir- passant dans l'intérieur des tubes, lorsqu'une colonne pleine, ou massive, de liquide passe dans les tubes, conformément à la-pratique antérieure, le liquide qui se trouve au centre de la colonne ou bien ne cède qu'ex- tremement peu de chaleur au bien, même est refroidi ineffi- cacement parce que la couche relativement mince de liquide, à une vitesse relativement faible,
en contact avec la surface intérieure des tubes agît comme un mauvais con- ducteur de la chaleur Ceci est particulièrement vrai
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lorsque le liquide qu'on désire refroidir est de l'huile.
Une autre cause de perte dans le fonctionnement d'échangeurs de chaleur de ce genre résulte du fait que le liquide qui se trouve au centre de chaque tube constitue un fort pourcentage du liquide total contenu dans le tube et qu'il est nécessaire de refouler cette quantité relativement grande de liquide sensiblement non affecté à travers les tubes de l'appareil. La quantité de force motrice ainsi dépensée est considérable et se trouve encore augmentée quand on essaie, comme on l*a fait antérieurement d'améliorer les conditions de transfert de chaleur en faisant varier les sections des tubes, en les aplatissant par exemple.
Suivant l'invention, les deux liquides entre lesquels on désire échanger de la chaleur sont continuelle- ment maintenus sous la forme d'une pellicule, ou nappe relativement mince, un sur chaque côté du moyen séparateur.
Ainsi., on emploie un moyen séparateur sous la forme d'un tube ayant une de ses extrémités plus élevée que l'autre, de sorte que du liquide circulera dedans sous l'effet de la pesanteur. Des dispositifs sont prévus pour maintenir continuellement une pellicule de l'un des liquides sur la surface extérieure de ce tube et pour maintenir continuelle- ment une pellicule de l'autre liquide sur la surface intérieure du tube. Bans la forme d'exécution préférée de l'appareil, on emploie plusieurs tubes disposés dans la position verticale, ou à peu près, et des moyens sont prévus pour décharger l'un des liquides sur la surface extérieure des tubes en de minces courants annulaires qui ruissellent rapidement sur chaque tube.
Des moyens sont également disposés pour décharger un mince courant annu- laire de l'autre liquide dans l'intérieur de 1'extrémité
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supérieure de chacun des tubes. Ces minces courants des deux liquides descendent rapidement par gravité, le long des surfaces respectives des tubes et durant ce passage l'échange de chaleur entre eux se produit. Cet échange s'accomplit ainsi dans des conditions extrêmement favora- bles étant donné que les deux courants ne sont séparés que par les parois relativement minces des tubes qui sont faits de matière bonne conductrice de la chaleur, comme le cuivre ou 1'acier, par exemple, selon la nature des liquides à traiter.
En raison du fait que chacun des liquides coule sous la forme d'une pellicule ou courant relativement mince, la seule force propulsive nécessaire est celle de la gravité. 11 n'y a pas de risque de formation de remous au centre des tubes, comme dans le cas où une colonne pleine, ou massive de liquide est refoulée sous pression à travers un conduit . Non seulement l'invention est applicable à l'échange de chaleur entre deux liquides qui. restent à l'état liquide, mais elle peut également être employée avec avantage lorsque l'un des liquides subit une vaporisation au cours du transfert de chaleur, comme c'est le cas, par exemple, dans le refroidissement de saumure dans une installation pour la fabrication de glace, ou une installation frigorifique, par la vaporisation d'ammoniaque liquide.
Dans ce cas, la saumure est de préférence déchargée sur la surface inté- rieure des tubes sous la forme d'une pellicule ou mince courant, comme précédemment , et des moyens sont prévus pour maintenir une pellicule du liquide subissant une vaporisation sur sensiblement toute la surface extérieure des tubea. Dans ce but, le liquide subissant une vaporisa-
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tion est distribué dans plusieurs zones espacées les unea au-dessus dessautres au moyen par exemple de plusieurs plateaux verticalement espacés dont chacun est pourvu d'orifices pour décharger un mince courant annulaire de liquide sur l'extérieur de chacun des tubes.
Dans ce cas, il est également important de renfermer les tubes dans une chambre, de façon à recueillir le liquide vaporisé et à le ramener à une autre partie de l'installation pour le liquéfier de nouveau .
Sur les dessins ci-joints, qui représentent, à titre d'exemple ,l'appareil complet, de chaque type, sous sa forme d'exécution préférée:
Fig.l est une coupe verticale à travers l'ap- pareil construit pour un échange de chaleur entre deux liquides qui restent tous deux sous la forme liquide au cours du transfert de chaleur;- Fig.2 est une coupe verticale , à grande échelle ,d'un fragment de l'appareil, prise à travers l'un des tubes pour représenter les détails des dispositifs distributeurs de liquide ;
Fig.3 est une coupe verticale d'un appareil destiné à être utilisé avec deux liquides dont l'un subit une vaporisation durant l'échange de chaleur et Fig.4 est une coupe, à grande échelle, d'un fragment de l'appareil de fig.3, représentant le disposi- tif distributeur de liquide de cet appareil.
En ce qui concerne d'abord la fig.l, on y a représenté un réservoir 10 dans lequel se trouvent deux plaques tubulaires, 11 et 12 ,espacées respectivement du haut et du bas du réservoir et formant par conséquent trois chambres, à savoir : la chambre supérieure 13, la chambre intermédiaire 14 et la chambre inférieure 15.
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des tubes 16 s'étendent verticalement entre les plaques tubulaires 11 et 12 à l'intérieur de la chambre inter- médiaire 14 et les intérieurs de tous ces tubes sont en libre communication avec la chambre supérieure 13 et la chambre inférieure 15.
La chambre inférieure 15 est fermée, au fond,, au moyen d'une plaque 17 sur laquelle le réservoir repose; mais la chambre supérieure 13 peut être laissée ouverte ou être, comme cela est représenté à la fig.l, pourvue d'un couvercle 18 qui peut être libre- ment tenu en place et ne servir qu'à empêcher la pénétra- tion de matière étrangère, ou qui peut être solidement assujetti en place, selon la façon dont on emploie l'ap- pareil, comme on le verra plus loin.
L'un des liquides soumis au traitement est amené par un tuyau d'alimentation 18. sous le contrôle d'un robinet 19 sur un plateau ou diaphragme 20 voisin du haut de la chambre intermédiaire 14. Ce plateau 20 est pourvu d'un rebord 20a tout autour de ses bords, pour maintenir sur lui une mare de liquide et il est également percé, pour le passage de chacun des tubes 16 de trous 21 (voir fig.2) d'un diamètre légèrement supérieur à celui des dits tubes.
A travers les orifices annulaires ainsi ménagés ,et sous la hauteur du liquide constituant la mare qui se trouve sur le plateau 20 le liquide coule de ce dernier sous la forme d'une pellicule ou courant annu- laire relativement mince qui ruisselle sur toute la surface extérieure de chacun des tubes 16 Ce liquide se rassem- ble sur le dessus de la,'plaque tubulaire inférieure 12 et s'en va par la conduite de décharge 23, contrôlée par un robinet.
L'autre liquide pénètre dans la chambre supé- rieure 13 de l'appareil par la conduite 24, sous le contrôle
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du robinet 25. L'extrémité, supérieure de chacun des tubes 16 est pourvue ,d'un dispositif distributeur de liquide 26 qui comprend un bouchon 27 duquel pend une collerette 28 par laquelle il est tenu, de façon à pouvoir en être enlevé, dans le tube 16. Une garniture peut être insérée entre la collerette 28 et l'intérieur de l'extrémité supérieure du tube, si on le désire, dans le but d'assurer un joint étanche et d'empêcher la collerette d'adhérer au tube. Le bouchon 27 est percé en son centre d'un trou 29 verticalement au-dessous duquel une pièce de forme conique 30 est suspendue de préférence par trois bras 31 attachés à la collerette 28 .
Le liquide pénétrant dans la chambre 13 passe, à travers les' trous 29 dans chacun des distributeurs 26 et est dévié au moyen des cônes 30 comme cela est représenté par les flèches à la fig.2, contre les parois intérieures des tubes 16 sous la forme d'une pelli- cule ou mince courant annulaire 32 Ces courants tombent des extrémités inférieures des tubes 16 dans la chambre inférieure 15 et le liquide qui se rassemble dans celle-ci sort de l'appareil par le robinet 33
En amenant le liquide à la chambre supérieure 13, on règle le robinet 25 de manière à maintenir une hauteur relativement faible de liquide au-dessus des dis- tributeurs 26, de façon que le liquide passe à travers les trous 29 entièrement sous l'influence de la gravité.
Dans ce cas, le couvercle 18 n'a besoin que d'être tenu librement en place, ou peut être entièrement supprimé.
Toutefois, si on le désire, le couvercle 18 peut être fermement assujetti au réservoir 10 et le liquide peut être amené sous pression à la chambre 13.
Les deux courants, ou pellicules, annulaires
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concentriques de liquide descendant simultanément, le long des surfaces opposées des tubes 16 échangent de la chaleur entre eux de la manière la plus efficace, à cause delà grande vitesse dans les pellicules et du contact très intime de tout le liquide avec les tubes.
Sensiblement toute la chaleur représentée par la différence de température entre les deux liquides, moins la quantité de chaleur qui est absorbée par conduction aux parois des tubes 16 est transférée d'un liquide à l'autre. On peut faire passer à l'intérieur des tubes soit le liquide plus chaud, ou le liquide plus froid.
Si l'un ou l'autre des liquides a une tendance quelconque à produire des dépôts inévitables de matière incrustante sur la surface des tubes, il vaut mieux faire passer ce liquide à l'intérieur des tubes parce que, dans ce cas, on peut très facilement débarrasser les tubes des incrus- tations en enlevant le couvercle 18 et chacun des distri- buteurs 26. puis en passant dans les tubes une disposi- tion appropriée de nettoie-tube.
Aux figs.3 et 4, qui représentent l'appareil modifié pour effectuer le transfert de chaleur entre deux liquides dont l'un subit une vaporisation ,la disposition générale est semblable à celle des figs.l et 2. Le réservoir 10 les plaques tubulaires, supérieure et inférieure, 11 et 12 les chambres supérieure et infé- rieure 13 et 15 et la disposition des tubes 16 s'éten dant entre les plaques tubulaires, sont exactement les mêmes qu'à la fig.l.
Les distributeurs 26 qui livrent du liquide, sous la forme de pellicules, ou minces courants annulaires, aux intérieurs des tubes 16 sont également
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construits comme cela est représenté à la fig. 2 et sont montés dans les extrémités supérieures de ces tubes de la même façon que dans l'appareil représenté à la fig.l*
Les moyens employés pour maintenir continuel- lement les pellicules de liquide ..subissant une vaporisa- tion sur les surfaces extérieures des tubes ont, toutefois, subi une modification.
Ainsi, comme cela est représenté à la fig.3, il est prévu une pluralité de plateaux ou diaphragmes transversaux 34, qui sont verticalement es pacés du haut au bas de la chambre intermédiaire 14, entre les plaques tubulaires 11 et 12 Chacun de ces plateaux est pourvu, tout autour, d'un rebord 35 par lequel une mare de liquide d'une certaine profondeur peut être maintenue sur le plateau et les divers plateaux sont pourvus, pour chacun des tubes 16, de trous 36 d'un dia- mètre légèrement supérieur à celui de ces tubes. De cette façon, des courants annulaires de liquide coulent, des mares qui sont maintenues sur chacun des plateaux, sur les.surfaces extérieures des tubes 16. Le liquide subissant une vaporisation, de l'ammoniaque par exemple, est amené dans l'appareil par le tuyau 31 qui le déverse sur le plateau 34 du haut.
Une quantité considérable de liquide en excès est déversée sur ce plateau et déborde, par-dessus le rebord 35 sur le plateau qui se trouve immédiatement en dessous. Un excès de liquide est ainsi déversé de chacun des rebords 35 des plateaux 34 successifs et, ainsi, des mares de liquide sont maintenues sur chacun de ces plateaux, dans toutes la pile.
Le liqudiepassant sous la forme de courants annulaires, à travers les trous 36 subit une vaporisation, à mesure que de la chaleur lui est transférée du liquide en cours de refroidissement qu'il est, dans ce/cas, préfé-
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rable de faire passer dans les tubes 16 et qui est, par conséquent, amené à la chambre supérieure 13 sous le contrôle du robinet 58* Au moyen des plateaux espacés
34, du liquide subissant une vaporisation est amené aux surfaces des tubes 16 dans plusieurs zones vertica- lement espacées*Le liquide à refroidir, après avoir des- cend dasn les tubes 16 sous la forme de pellicules,
se rassemble dans la chambre inférieure 15 et sort par la tubulure-pourvue d'un robinet 39
Etant donné qu'il est désirable de maintenir un excès de liquide subissant une vaporisation sur les surfaces de tous les plateaux 34, une certaine quantité de ce liquide se rassemble sur le dessus de la plaque tubulaire inférieure 12 d'où il est enlevé au moyen d'un tuyau 40 relié à un dispositif élévatoire 41 qui renvoie le liquide au tuyau d'alimentation 37
Le liquide vaporisé qui se trouve dans la chambre intermédiaire 14 passe suivant un parcours tortueux par-dessus les rebords 35 des plateaux, rebords qui, à cet effet, sont espacés ,suivant une disposition chicanée,
des parois du réservoir et il s'élève vers le haut de la chambre 14 d'où il est retiré par le tuyau 42 Pour empêcher des globules entraînés de liquide non vaporisé d'être aspirés à travers le tuyau 42, il est prév juste au-dessus du tuyau d'alimentation 37, un déflecteur 43 qui peut être avantageusement construit de la même manière que les plateaux 34 Ce déflecteur augmente la longueur du parcours du réfrigérant vaporisé de l'extrémité de décharge du tuyau d'alimentation 37 à l'en- trée du tuyau de décharge 42.
Dans le fonctionnement de l'appareil, le liquide en cours de décharge à la surface intérieure des tubes sous la forme d'unepellicule descend le long de cette
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surface sans autre interruption que celle causée par le frottement, car il n'y a pas de risque qu'il s'établisse une contre-pression causée par des remous., comme cela est commun lorsqu'une colonne pleine, ou massive , de liquide est refoulée àf travers un conduit tubulaire. L'é- coulement du liquide sur l'extérieur du tube se produit dans des conditions semblables.
De plus, le transfert de chaleur est effectué directement à travers les parois des tubes 16, d'une des pellicules de liquide, cédant de la chaleur à l'autre pellicule de liquide ,absorbant de la chaleur Lorsque c'est désirables on règle l'épaisseur des courants annulaires sur l'extérieur et l'intérieur* respectivement, de façon que toute la chaleur disponible, correspondant à la différence de température entre les liquides, se trouve transférée de l'un des courants à l'autre.
Etant donné qu'il n'y a ,dans les tubes, qu'un courant annulaire de liquide, le liquide qui forme ce courant est chauffé, ou refroidi, à une température maximum, ou minimum, selon le cas, parce que l'absence du noyau de liquide à l'intérieur du courant annulaire supprime le risque d'un transfert de chaleur du courant annulaire à ce noyau, ou masse relativement grande, de liquide
L'équipement dont on se sert pour un réfeigé rant qui se vaporise diffère de celui utilisant un réfri- gérant ne se vaporisant pas en ce sens qu'il doit avoir une chambre hermétiquement close entre les plaques tubu- laires. Dans le cas du réfrigérant ne se vaporisant 'pas, cette chambre étanche est facultative et son existence dépend delatempérauture, de la pression de vapeur et de la valeur du fluide à l'extérieur des tubes.
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Pour le meilleur fonctionnement de l'équipement faisant usage d'un réfrigérant qui se vaporise, les plateaux doivent également, de préférence, être espacés verticalement de façon que la quantité de réfrigérant, se vaporisant, qui peut passer à travers les ouvertures annulaires autour des tubes ne soit pas complètement vaporisée avant d'atteindre le plateau situé immédiatement au-dessous, ou l'extrémité inférieure des tubes. Si les ouvertures annulaires existant autour des tubes et la longueur de ces derniers sont telles qu'il peut passer à travers l'ouverture annulaire, une quantité de réfrigé- rant se vaporisant suffisante pour fournir une pellicule à toute la longueur du tube, un seul plateau supérieur donne satisfaction.
Si la longueur des tubes est telle qu'il ne peut pas passer, à travers les ouvertures annu- laires existant autour des tubes, une quantité de réfri- gérant se vaporisant suffisante pour assurer l'existence d'une pellicule de ce réfrigérant sur toute la longueur des tubes, il est alors préférable d'employer plusieurs plateauxo Dans une des formes d'exécution de l'invention, les plateaux sont de préférence pourvus de déversoirs arrangés suivant Une disposition chicanée de façon que les déversoirs existant sur des plateaux successifs se trouvent à l'opposé, en permettant ainsi au réfrigérant se vaporisant, en excès sur celui qui passe à travers les ouvertures annulaires du premier plateau, de couler, par dessus le bord des dits déversoirs, au plateau qui se trouve immédiatement au-dessous.
La longueur des tubes peut également être pro- portionnée de manière à permettre la fourniture à l'inté- rieur des tubes, d'une quantité de réfrigérant se vapori.
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sant suffisante pour maintenir une pellicule de ce réfri- gérant sur toute la longueur de l'intérieur de ces tubes.
Cette disposition de l'invention exige qu'il y ait une ' chambre étanche reliée à l'intérieur des tubes, d'une façon analogue à ce qui est représenté, sur les dessins ci-joints, pour la chambre étanche entourant l'extérieur des tubes.
Lorsqu'on fait usage d'un réfrigérant ne se vaporisant pas, on peut le faire passer soit à l'intérieur ou à l'extérieur des tubes. Puisqu'il n'y a pas de vaporisation, il ne se perdra pas de liquide des pellicules et le plateau supérieur fournira une quantité de réfrigérant, ne se vaporisant pas, suffisante pour que celui-ci ruisselle sur toute la longueur du tube.
Ainsi, en construisant l'appareil conformément à l'invention, le transfert de chaleur s'opère d'une façon si efficace que l'encombrement de l'appareil pour une installation donnée, est relativement petit ce qui réduit ainsi son poids et son prix de revient, Ce qui dans bien des cas, est plus important c'est que l'écoulé** ment des deux liquides, à travers l'appareil, par graité supprime l'obligation de faire fonctionner de grosses pompes, qui exigent une quantité considérable de force motrice, dans le but de faire circuler les liquides dans l'appareil.
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'HEAT EXCHANGER " .
The present invention relates to apparatus for the exchange of heat between liquids and it relates to a heat exchanger of improved construction.
Difficulty has been experienced in the past in constructing an apparatus for the exchange of heat between liquids so as to ensure a sufficiently high rate of heat transfer with a given bulk apparatus, as well. than to establish the apparatus at a relatively low cost. In many earlier installations, the operating expense
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and the maintenance costs were also excessive.
Among the most factors. Important factors involved in the operation of a heat exchanger which affect the attainment of the desired results include the thermal conductivity of the separating medium, the rate at which liquids dissolve. move on the surfaces of this medium and the viscosity of liquids. we are dealing with *
The importance of high thermal conductivity has always been recognized and wherever possible, materials such as copper, for example, are used for the separating medium. However, the. A more difficult problem is the measures to be taken for suitable speed conditions and for rapid heat transfer with viscous liquids as well as with moving liquids.
In the construction of heat exchangers of the type in question, it is customary to establish the separating means under. the form of a.au several tubes or conduits, the exterior of which is immersed in a mass of one of the liquids while the other liquid passes through their interior. Assuming that the apparatus is to be used for refrigeration, with the liquid to be cooled passing through the interior of the tubes, when a full or massive column of liquid passes through the tubes, in accordance with the- In previous practice, the liquid which is in the center of the column or which yields only very little heat to the well, even is cooled inefficiently because the relatively thin layer of liquid, at a relatively low velocity,
in contact with the inner surface of the tubes acts as a poor conductor of heat This is particularly true
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when the liquid you want to cool is oil.
Another cause of loss in the operation of heat exchangers of this kind results from the fact that the liquid which is in the center of each tube constitutes a high percentage of the total liquid contained in the tube and that it is necessary to discharge this relatively large amount of substantially unaffected liquid through the tubes of the apparatus. The amount of driving force thus expended is considerable and is further increased when an attempt is made, as has been done previously to improve the conditions of heat transfer by varying the sections of the tubes, for example by flattening them.
In accordance with the invention, the two liquids between which it is desired to exchange heat are continuously maintained in the form of a relatively thin film, or web, one on each side of the separator means.
Thus, a separating means is employed in the form of a tube having one of its ends higher than the other, so that liquid will flow therein under the effect of gravity. Devices are provided for continuously maintaining a film of one of the liquids on the outer surface of that tube and for continuously maintaining a film of the other liquid on the inner surface of the tube. In the preferred embodiment of the apparatus, a plurality of tubes are employed arranged in the vertical position, or thereabouts, and means are provided for discharging one of the liquids onto the outer surface of the tubes in thin annular streams. which trickle down quickly on each tube.
Means are also provided for discharging a thin annular stream of the other liquid into the interior of the end.
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top of each tube. These thin streams of the two liquids descend rapidly by gravity, along the respective surfaces of the tubes and during this passage the exchange of heat between them occurs. This exchange is thus accomplished under extremely favorable conditions since the two streams are separated only by the relatively thin walls of the tubes which are made of a good heat conductor such as copper or steel. example, depending on the nature of the liquids to be treated.
Because each of the liquids flows in the form of a relatively thin film or stream, the only propulsive force needed is that of gravity. There is no risk of eddies forming in the center of the tubes, as in the case where a full or massive column of liquid is delivered under pressure through a duct. Not only is the invention applicable to the exchange of heat between two liquids which. remain in the liquid state, but it can also be employed with advantage where one of the liquids undergoes vaporization during the heat transfer, as is the case, for example, in the cooling of brine in a plant for the manufacture of ice, or a refrigeration installation, by the vaporization of liquid ammonia.
In this case, the brine is preferably discharged onto the inner surface of the tubes in the form of a film or thin stream, as before, and means are provided for maintaining a film of the liquid undergoing vaporization over substantially the entire length. outer surface of tubea. For this purpose, the liquid undergoing vaporization
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tion is distributed in several areas spaced one above the other by means of, for example, several vertically spaced plates each of which is provided with orifices for discharging a thin annular stream of liquid onto the exterior of each of the tubes.
In this case, it is also important to enclose the tubes in a chamber, so as to collect the vaporized liquid and to bring it back to another part of the installation to liquefy it again.
In the accompanying drawings, which show, by way of example, the complete apparatus, of each type, in its preferred embodiment:
Fig. 1 is a vertical section through the apparatus constructed for heat exchange between two liquids which both remain in liquid form during heat transfer; - Fig. 2 is a vertical section, on a large scale , of a fragment of the apparatus, taken through one of the tubes to show the details of the liquid dispensing devices;
Fig. 3 is a vertical section through an apparatus intended for use with two liquids one of which undergoes vaporization during heat exchange and Fig. 4 is a section, on a large scale, of a fragment of the apparatus of fig. 3, showing the liquid dispensing device of this apparatus.
With regard first of all to fig.l, there is shown a reservoir 10 in which there are two tube plates, 11 and 12, spaced respectively from the top and the bottom of the reservoir and consequently forming three chambers, namely: the upper chamber 13, the intermediate chamber 14 and the lower chamber 15.
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tubes 16 extend vertically between the tube sheets 11 and 12 inside the intermediate chamber 14 and the interiors of all these tubes are in free communication with the upper chamber 13 and the lower chamber 15.
The lower chamber 15 is closed, at the bottom, by means of a plate 17 on which the reservoir rests; but the upper chamber 13 may be left open or be, as shown in fig. 1, provided with a cover 18 which may be freely held in place and only serve to prevent the ingress of material. foreign, or which can be firmly secured in place, depending on how the device is used, as will be seen later.
One of the liquids subjected to the treatment is brought by a supply pipe 18. under the control of a tap 19 on a plate or diaphragm 20 near the top of the intermediate chamber 14. This plate 20 is provided with a rim. 20a all around its edges, to maintain a pool of liquid on it and it is also pierced, for the passage of each of the tubes 16 with holes 21 (see fig.2) of a diameter slightly greater than that of said tubes.
Through the annular orifices thus formed, and under the height of the liquid constituting the pool which is on the plate 20, the liquid flows from the latter in the form of a relatively thin film or annular stream which trickles over the entire surface. outside of each of the tubes 16 This liquid collects on top of the lower tube plate 12 and goes through the discharge line 23, controlled by a valve.
The other liquid enters the upper chamber 13 of the apparatus through line 24, under the control
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of the valve 25. The upper end of each of the tubes 16 is provided with a liquid dispensing device 26 which comprises a stopper 27 from which hangs a collar 28 by which it is held, so that it can be removed therefrom. tube 16. A gasket may be inserted between the flange 28 and the interior of the upper end of the tube, if desired, in order to provide a tight seal and prevent the flange from adhering to the tube. . The stopper 27 is pierced in its center with a hole 29 vertically below which a conical-shaped piece 30 is suspended preferably by three arms 31 attached to the collar 28.
The liquid entering the chamber 13 passes, through the 'holes 29 in each of the distributors 26 and is deflected by means of the cones 30 as shown by the arrows in fig. 2, against the inner walls of the tubes 16 below the film or thin annular stream 32 These streams fall from the lower ends of the tubes 16 into the lower chamber 15 and the liquid which collects therein exits the apparatus through the tap 33
By supplying the liquid to the upper chamber 13, the valve 25 is adjusted so as to maintain a relatively low height of liquid above the distributors 26, so that the liquid passes through the holes 29 entirely under the influence. of gravity.
In this case, the cover 18 only needs to be freely held in place, or can be removed entirely.
However, if desired, the cover 18 can be firmly secured to the reservoir 10 and the liquid can be supplied under pressure to the chamber 13.
The two currents, or films, annular
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Concentrates of liquid descending simultaneously along the opposing surfaces of the tubes 16 exchange heat between them in the most efficient manner, due to the high velocity in the films and the very intimate contact of all the liquid with the tubes.
Substantially all of the heat represented by the temperature difference between the two liquids, minus the amount of heat that is absorbed by conduction at the walls of the tubes 16 is transferred from one liquid to the other. Either the hotter liquid or the colder liquid can be passed inside the tubes.
If either of the liquids has any tendency to produce inevitable deposits of encrusting material on the surface of the tubes, it is better to pass this liquid through the interior of the tubes because, in this case, one can very easily rid the tubes of encrustation by removing the cover 18 and each of the distributors 26. then passing through the tubes a suitable arrangement of tube cleaner.
In figs.3 and 4, which represent the modified apparatus to effect the transfer of heat between two liquids, one of which undergoes vaporization, the general arrangement is similar to that of figs.l and 2. The reservoir 10 the tube plates , upper and lower, 11 and 12 the upper and lower chambers 13 and 15 and the arrangement of the tubes 16 extending between the tubesheets, are exactly the same as in fig.l.
The distributors 26 which deliver liquid, in the form of films, or thin annular streams, to the interiors of the tubes 16 are also
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constructed as shown in FIG. 2 and are mounted in the upper ends of these tubes in the same way as in the device shown in fig.l *
The means employed to continuously maintain the films of vaporizing liquid on the outer surfaces of the tubes have, however, undergone a change.
Thus, as shown in Fig. 3, there is provided a plurality of transverse plates or diaphragms 34, which are vertically spaced from the top to the bottom of the intermediate chamber 14, between the tube plates 11 and 12 Each of these plates is provided, all around, with a rim 35 by which a pool of liquid of a certain depth can be maintained on the tray and the various trays are provided, for each of the tubes 16, with holes 36 of a diameter slightly higher than that of these tubes. In this way, annular streams of liquid flow, from the pools which are maintained on each of the trays, on the outer surfaces of the tubes 16. The liquid undergoing vaporization, ammonia for example, is brought into the apparatus by the pipe 31 which pours it onto the top plate 34.
A considerable amount of excess liquid is dumped onto this tray and overflows, over rim 35 onto the tray immediately below. An excess of liquid is thus discharged from each of the edges 35 of the successive trays 34 and, thus, pools of liquid are maintained on each of these trays, in all the stack.
The liquid passing in the form of annular streams, through the holes 36 undergoes vaporization, as heat is transferred to it from the liquid being cooled which it is, in this case, preferred.
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able to pass through the tubes 16 and which is therefore brought to the upper chamber 13 under the control of the valve 58 * By means of the spaced plates
34, liquid undergoing vaporization is brought to the surfaces of the tubes 16 in several vertically spaced zones * The liquid to be cooled, after having descended in the tubes 16 in the form of films,
collects in the lower chamber 15 and exits through the tubing-provided with a tap 39
Since it is desirable to maintain an excess of vaporizing liquid on the surfaces of all trays 34, some of this liquid collects on top of the lower tubesheet 12 from where it is removed by means of a pipe 40 connected to an elevating device 41 which returns the liquid to the supply pipe 37
The vaporized liquid which is in the intermediate chamber 14 passes following a tortuous path over the edges 35 of the trays, which edges are spaced for this purpose in a baffled arrangement,
from the walls of the reservoir and rises to the top of the chamber 14 from where it is withdrawn through the pipe 42 To prevent entrained globules of unvaporized liquid from being sucked through the pipe 42, it is provided just at above the supply pipe 37, a baffle 43 which may be advantageously constructed in the same manner as the trays 34 This baffle increases the length of the path of the vaporized refrigerant from the discharge end of the supply pipe 37 to the inlet of discharge pipe 42.
In the operation of the apparatus, the liquid being discharged from the inner surface of the tubes in the form of a film descends along this
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surface without any other interruption than that caused by friction, since there is no risk that a back pressure caused by eddies will build up., as is common when a full column, or massive, of liquid is discharged through a tubular duct. The flow of liquid out of the tube occurs under similar conditions.
In addition, the heat transfer is effected directly through the walls of the tubes 16, from one of the films of liquid, giving up heat to the other film of liquid, absorbing heat. The thickness of the annular streams on the outside and the inside * respectively, so that all the available heat, corresponding to the temperature difference between the liquids, is transferred from one of the streams to the other.
Since there is only an annular current of liquid in the tubes, the liquid which forms this current is heated, or cooled, to a maximum or minimum temperature, as the case may be, because the absence of the liquid core within the annular stream eliminates the risk of heat transfer from the annular stream to this relatively large core, or mass, of liquid
The equipment used for a refrigerant which vaporizes differs from that using a non-vaporizing refrigerant in that it must have a hermetically sealed chamber between the tube sheets. In the case of the non-vaporizing refrigerant, this sealed chamber is optional and its existence depends on the temperature, vapor pressure and value of the fluid outside the tubes.
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For best operation of equipment making use of vaporizing refrigerant, the trays should also preferably be vertically spaced so that the amount of vaporizing refrigerant which can pass through the annular openings around the trays. tubes are not completely vaporized before reaching the tray immediately below, or the lower end of the tubes. If the annular openings existing around the tubes and the length of the latter are such that it can pass through the annular opening, sufficient vaporizing refrigerant to provide a film the entire length of the tube, only one upper plate gives satisfaction.
If the length of the tubes is such that it cannot pass through the annular openings existing around the tubes a sufficient quantity of refrigerant vaporizing to ensure the existence of a film of this refrigerant throughout. length of the tubes, it is then preferable to use several trays. In one of the embodiments of the invention, the trays are preferably provided with weirs arranged according to a baffled arrangement so that the weirs existing on successive trays are on the other hand, thus allowing the vaporizing refrigerant, in excess of that which passes through the annular openings of the first plate, to flow, over the edge of the said weirs, to the plate which is immediately below.
The length of the tubes can also be proportioned so as to allow the supply to the interior of the tubes of a quantity of vaporized refrigerant.
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sufficient to maintain a film of this refrigerant along the entire length of the inside of these tubes.
This arrangement of the invention requires that there be a sealed chamber connected to the interior of the tubes, in a manner analogous to what is shown in the accompanying drawings for the sealed chamber surrounding the exterior. tubes.
When using a non-vaporizing refrigerant, it can be passed either inside or outside the tubes. Since there is no vaporization, no liquid from the films will be lost, and the top plate will supply a quantity of non-vaporizing refrigerant sufficient for it to trickle down the length of the tube.
Thus, by constructing the apparatus in accordance with the invention, the heat transfer takes place in such an efficient manner that the bulk of the apparatus for a given installation is relatively small, thus reducing its weight and its cost price.What in many cases is more important is that the flow of the two liquids, through the device, by gravity eliminates the need to operate large pumps, which require considerable amount of motive force, for the purpose of circulating liquids in the apparatus.