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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.