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Machine frigorifique à absorption,
L'invention concerne une machine frigorifique à absopption et consiste en ce que les quantités de fluide frigorifique expulsées du bouilleur en deux ou plus de deux étages sont condensées séparé- ment dans deux ou plus de deux condenseurs, et que les quantités de chaleur de condensation libérées dans les étages supérieurs sont utilisées pour l'expulsion du fluide frigorifique dans les étages inférieurs. Ceci a pour but d'obtenir une amélioration du rendement thermique de la machine et par suite une économie de chauffage et de refroidissement.
Les principes servant de base dans ce cas seront expliqués à l'aide des figures schématiques 1 à 5 des dessins.
La fig. 1 montre le diagramme entropique de la température pour les mouvements de la chaleur dans une machine frigorifique idéale.
Pour transporter une quantité de chaleur Q1 du niveau de tempéra- ture T1 eu niveau de température T2 au moyen d'un fluide frigori- fique décrivant un cycle, c'est à dire revenant périodiquement à son état initial,il faut qu'une quantité de chaleur Q4 descende du niveau de température T4 au niveau de température T3. La quantité
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de chaleur Q2 transmise aufluide réfrigérait .'au Niveau de tempé- rature T2 est plus grande que la quantité', de chaleur Q1. La diffé rence entre les deux est empruntée à la quantité de chaleur Q4.
On a donc l'équation
Q4 - Q3 = O2- Q1 ou Q4 = Q3 + (Q2 - Q1).
La quantité de chaleur Q4 qu'il faut dépenser au niveau de température T4 pour obtenir une production de froid Q1 au niveau de température T1 se compose donc de deux parties : premièremeni la quantité de chaleur Q3,qui est enlevée à la limite de tempé- rature inférieure après le déplacement de chaleur de T4 à T3, et deuxièmement la différence entre les-deux quantités de cha- leur, celle qui est apportée aa et celle qui est enlevée du mou- vement de chaleur principal. Si l'on veut augmenter l'économie de la machine,il faut donc réduire au minimum les deux parties dont se compose la quantité de chaleur Q4.
Sous ce rapport les machines à compression sont déjà très perfectionnées.Au point de vue purement thermique,les conditions sont,pour ces machines, sensiblement plus favorables que pour les machines à absorption.La fig. 1 montre les mouvements de chaleur qui se produisent dans une machine à compression ac- tionnée par une machine à vapeur, si l'on néglige de patis eacrte relativement au fonctionnement idéal .
.,Le mouvement de enaleur de Ti à T2 $se produit dans la machine à compression, la chaleur Q2 étant éliminée principalement par l'eau de refroidissement pendant la liquéfaction du fluide frigorifique, Il est essenti tiellement favorable, dans ces conditions, que cette liquéfac- tion puisse avoir lieu à une température constante de façon que la température T2 puisse être pr&tiquenent la même sur toute ] Et largeur du diagramme et qu'elle ne dépasse pas la température de l'eau de refroidissement disponible plus.que
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cela n'est nécessaire pour des raisons d'ordre .te?ha.i21|L2µtf,i 'I'" mouvement de chaleur du niveau de température T9 u:. t se fait dans la machine à vapeur.
Ce mouvement de ¯M&fïloié1IrfiIi tout à fait indépendant de ce qui se passe dans )''*tN '.' .1 ###-# '--'' dii
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Il n'y a que la quantité de chaleur (Q2 -Q1) à transporter de la,machine à vapeur au compresseur, ce qui a lieu, comme on le sait sous forme d'énergie mécanique.
Dans les machines à compression de ce genre, une grande liberté règne dans la détermination du mouvement de chaleur de T4 à T3.
On choisit de préférence pour cela les processus thermiquement les plus favorables, c'est à dire ceux dans lesquels les niveaux de température T4 et T3 sont très éloignés l'un de l'autre, et dane lesquels par conséquent,pour une différenee déterminée entre Q4 et Q3,Q4 aussi bien que Q3 sont aussi réduits que possible. C'est ce qui est montré,dans la fig. l,par les formes haute et étroite du diagramme de droite.
Dans la'machine à absorption les conditions sont toutes diffé- rentes et elles sont sensiblement plus défavorables au point de vue thermique,d'abord à cause de la particularité du processus d 'absorption,et ensuite à cause du rapport plus étroit entre les deux mouvements de chaleur. La fig. 2 montre les mouvements de chaleur dans une machine à absorption du type usité jusqu'ici.
On a supposé un échange de température parfait, c'est à dire un échange qui n'est pas limité à la solution pauvre et à la solu- tion riche,mais dans.lequel on fait participer aussi le fluide frigorifique dans son trajet du bouilleur au condenseur, du cen- denseur à l'évaporateur et de l'évaporateur à l'absobbeur, et dans lequel les quantités de fluide d'absorption et de fluide frigori- fique en circulation sont soumises à un changement de température complet. On a négligé aussi l'influence thermique des variations de pression auxquelles .sont soumis le fluide d'absorption et le fluide frigorifique,aissi que l'influence de l'évaporation du fluide d'absorption.
Les diagrammes sont donc limités aux opéra- tions ayant une importance thermique essentielle,c'est à dire à l'évaporation et à l'absopption,respectivement à l'expulsion et à la condensation. C'est pourquoi,dans ces diagrammes,les lignes de jonction entre les'opérations indiquées sont tracées verticalement En réalité,ces hypothèses ne se vérifient pas tout à fait,mais cela ne change rien au sens des explications qui suivent. On peut suppc ser que le diagremme indique les variations d'état du fluide fri-
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gorifique,le fluide d'absorption étant supposé indifférent au point de vue thermique, abstraction faite de sa propriété d'absor- ber et d'expulser le fluide frigorifique dans des conditions de pression et de température convenables.
Dans les machinas à absorption, le fluide frigorifique parcourt un double cycle en forme de 8 qui comprend les deux mouvements de chaleur indiqués séparément dans la fig. 1 et qui se déroule dans l'ordre suivant : évaporation (ab),absorption (cd),expulsion (ef) et condensation-(gh).
Dans ce cas l'évacuation de la quantité de chaleur Q2 se fait non pas,comme dans les machines à compression,pendant la conden- sation du fluide frigorifique,mais en majeure partie pendant l'absorption. Dans le processus représenté par la fig. 2,la quan- tité de chaleur Q2 n'est pas entièrement évacuée pendant l'ab sorption,une partie reste dans le fluide frigorifique après la fin de l'absorption (l'entropie est en d plus grande qu'en a), et parcourt,la boucle'supérieure du cycle pour n'être expulsée, avec la quantité de chaleur Q3,que pendant la condensation du fluide frigorifique.Il se produit donc un apport Q1 sur le tra- jet à une évenqution 02 par cd et dh un support Q4 par of jet de a à b, une évacuation Q2 par cd et dh,
un spport Q4 par of -et une évacuation Q2 par ce et dh,un apport Q4 par ef'et" une avacuation Q3 par gd. Il résulte de l'équation Q4 = Q3 (Q2-Q1) que la surface d e f g d a la même superficie que la surfis - a b e d h a. Il s'agit également dans ce cas de deux actions thermiques dont les grandeurs sont représentées par les surfaces, en question et qui se neutralisent l'une l'autre.
La forme de la boucle supérieure d e f g d a une importance au point de vue du rendement économique ,suivant qu'elle est lar- ge et basse,ou étroite et haute. Cette forme est influencée- par les propriétés du fluide frigorifique dont il s'agit et par la façon dont il se comporte vis à vis du fluide d'absorption.
On peut évidemment s'attendre à ce que la différence de tempéra- ture entre l'expulsion et la condensation ou entre l'absorption et l'évaporation,la condensation de la solution étant constante (par exemple les distances fg ou cb) soit une fonctionne la
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température absolue et monte et descende avec celle-ci. Dans les machines à absorption$où le fluide frigorifique est de l'ammoniac et le fluide d'absorption une dissolution d'ammoniac dans de l'eau,l a différence de température en question croit effective- ment avec la température absolue, ce qui est avantageux pour le' rendement économique des machines : les hauteurs de la boucle supérieure sont plus grandes et d'une façon correspondante,les largeurs plus petites que celles de la boucle inférieure.
Dans les machines à absorption à ammoniaque, le point g se trouve, com- le le montre d'ailleurs la fig. 2,à gauche du point b. Un' est pas impossible due le point d soit à gauche du point et, au lieu d'être à droite,mais dans tous les cas la distance entre les points d et g est plus petite que la distance entre les points a et b. Dans la fig. 3,pour plus de clarté et pour faciliter la comparaison avec la fig. l,les deux boucles,qui se rapportent respectivement aux deux mouvements de chaleur, sont représentées séparément..
Le premier facteur défavorable pour le rendement économique de la machine à absorption,c'est quel'évacuation de la chaleur
Q2 se produit, comme on l'a déjà dit, non pas pendant la conden sation,mais principalement pendant l'absorption du fluide frigori fique. Contrairement à ce qui se passe pour la condensation,l'ab- sorption n'a pas lieu à température constante. La solution faible venant du bouilleur commence à absorber à une température plus ou moins supérieure,suivant le degré d'expulsion, à la température de l'eau de refroidissement. Ce n'est qu'après que l'absorption a progressé pendant quelque temps que la température d'absorption se rapproche graduellement de la température de l'eau de refroi- dissement.
Ce phénomène est indiqué dans la fig. 3 par l'incli- naison de la ligne T2-T2 (Q2- Q1) est donc plus grand que dans les machines à compression. Le deuxième facteur défavorable c'est le mode de mouvement de chaleur supplémentaire de T4 à T3. Ce mode n'est rien moins qu'indépendant du mouvement de chaleur principal.Il en est même exactement l'inverse, sauf qu'il se dé- roule entre des limites de température un peu plus élevées et il a, abstraction faite des écarts déjà indiqués, les mêmes caracté-
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ristiques thermiques.
Une comparaison avec la fig. 1 permet 'de re- connaitre ce que la forme du diagramme de droite, dans la fig. 3, a de défavorable au point de vue thermique':
On sait qu'on peut améliorer le rendement de la.machine à absorption en empruntant la chaleur Q4 en partie à la chaleur Q2.
Il faut pour cela que la température T2 soit supérieure à la tem- pérature T4. La fig. 4 représente schématiquement ce procédé. On
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fait circuler une petite quantité de solution fortement dégagée dans le "bouilleur, 1 'absorption pouvant ainsi cobenèr:, température plus élevée. La chaleur enlevée dans le ë'', cipal entre T'3 et T"2 peut être rintraduiteda sIé ' secondaire entre T"4 et T4. c'est à dire que 1 a '' chai ear' *dégagêeï| au début de l'absorption est utilisée pour le pfeatier défagB ëfiîi| dans le bouilleur. Au point de vue thermique cela veut*' d la quantité de chaleur qui a été élevée de ik jusqu'à T"2T'2 retombe, par T4 T"4 jusqu'à la, qui conicide avec no.
Les deux surfaces couvertes de hachures s'annulent donc réciproquement et on peut supposer les processus thermiques représentés par les surfaces ne comportant pas de hachures.
Une comparaison avec la fig. 3 permet de reconnaître que la partie de droite a maintenant une forme beaucoup plus favorable .
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thermiquement. La base s'est rétrécie et la grandeur nué. Toutefois il y a certaines limites à l'exécution '1!'e}e& -, '# procédé. Les lignes T2,T'2 et T4,T'4 ne peuvent se recouvrir que sur une partie relativement petite. Pour T'4 on ne peut pas dépas ser certaines limites,suivant la pression au condenseur,sans quoi de trop grandes quantités de fluide d'absorption seraient expul- sées avec le fluide frigorifique.
Il résulte de la partie gauche de la fig. 4 que,même après la suppression de la partie couverte de hachures Q2-Q1 est encore plus grand que dans les machines â compression,et parfois même qu'il est encore plus grand que dans les machines à absorption ordinaires fonctionnant sans récupéra- tion de chaleur d'absorption. De ce fait une forte inclinaison de la ligne de température T2 T'2 est non seulement irrationnelle par elle-même au point de vue thermique, elle augmente encore les
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risques d'expulsion de fluide d'absorption,risques qui peuvent compromettre l'évaporation.
L'idée de l'invention vise une amélioration du rendement pou- vant être utilisée,soit en combinaison avec l'amélioration men- tionnée ci-dessus, soit indépendamment de celle-ci, et ne se rap- portant qu'aux mouvements de chaleur dans le processus secondai- re, sans modifier par contre le processus principal.La raison pou laquelle l'absorption n'est pas économique, c'est principalement, comme on lâ déjà dit plus haut, que la condensation du fluide frigorifique,qui doit s'évaporer de nouveau dans l'évaporateur, est la base du processus secondaire. Dans les machines à absorp- tion connues,la condensation a lieu à une température voisine de celle de l'eau de refroidissement. Toute la chaleur de condensa- tion est évacuée 'sous forme de chaleur inutile et perdue.
On peut réaliser une amélioration thermique sensible en divisant la con densation du fluide frigorifique en deux ou plus de deux opéra- tions séparées qui ont lieu à des niveaux de température appropr priés et étagés les uns par rapport aux autres. La chaleur de con densation dégagée au ou aux niveaux de température supérieure 'est trop précieuse pour être évacuée sous forme de chaleur inu- tile et perdue; au contraire,le condenseur en question constitue une source de'chaleur qui peut être utilisée pour 3 'expulsion.
On sait que le processus secondaire d'une machine frigori- fique n'est pas lié par lui-même au niveau de température de l'eau de refroidissement. Lorsqu'une machine frigorifique à com- pression est actionnée par exemple par un moteur à combustion interne, le processus secondaire se déroule à des températures bien supérieureà à celles qui sont indiquées dans la fig. 1.
Suivant l'invention toutefois, une partie du processus se- condaire reste étroitement voisine du niveau de température dé l'eau de refroidissement,tandis que seules les autres parties sien éloignent.
La fig. 5 montre,en partant de la partie droite de la fig.4,
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la condensation du fluide frigorifique en deuxëtaj|è*w,1!ij#KH ture.On peut augmenter la température de condensatioil,s'i';Pli; en prenant,au lieu d'eau de refroidissement pour l'évacuation de la' chaleur, un autre fluide de refroidissement dont la pempé- rature est, de façon correspondante, plus élevée. La pression de condensation croit avec l'augmentation de la température de con- densation. On suppose la surface T"4 T'4 q p du diagramme partagée par la ligne T"4 r en deux bandes ayant à peu près la même largeur. Pour la bande de droite,on peut augmenter la tempe- rature de condensation jusqu'à la tampérateur T"4 où au-delà.
Tou- tefois,l'augmentation de pression qui accompagne l'augmentation de température exige en première ligne, pour la bande de droite, un bouilleur dont la pression de travail soit augmentée de façon correspondante par rapport à celle du bouilleur normal pour la bande de gauche.
En ce qui concerne l'augmentation de-température désirée pour la bande de droite,on l'obtient en utilisant le bouilleur normal, au lieu du fluide réfrigérant, pour l'évacuation de la chaleur hor du condenseur à haute pression. Pour se représenter le résultat thermique ainsi obtent,on peut supposer que la bande de droite du diagramme est déplacée pour venir au-dessus dans le prolongement de la'bande de gauche et se raccorder à celle-ci. (Pour plus de simplicité on a supposé que la forme de la bande ne varie pas par suite de ce déplacement,ce qui toutefois n'est pas le cas en réa- lité. Dans les machines à absorption à ammoniaque, par exemple,les hauteurs augmentent,leslargeurs diminuent et les rendements de- viennent, de façon correspondante, meilleurs que ne lemontrent les fig. 5 et 6).
On obtient ainsi pour le diagramme une surface ayant à peu près une hauteur double et une largeur de moitié moine grande c'est à dire une -surface dont la forme se rapproche davan tage de celle de la surface correspondantede la fig. 1.
Le raccordement des deux bandes du diagramme est rendu possi- ble par le fait que les lignes limites peuvent s'éliminer thermi- quement entre elles, c'est à dire que la chaleur sortant de la bande supérieure du diagramme,en bas,rentre,en haut, dans la
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bande inférieure du diagramme, c'est à dire quelle reste inter- ne. Le petit triangle qui se trouve entre les deux,,surfaces du diagramme correspond à une perte thermique (chute de chaleur ir- réversible),dont l'influence peut être estimée diaprés la figure.
Lorsque le diagramme est partagé en deux bandes de même lar- geur, la chaleur de condensation du diagramme supérieur et la chaleur d'expulsion du diagramme inférieur ne peuvent pas coinci- der exactement. La chaleur de condensation est plus grande,la différence étant égale à la quantité représentée par la surface du triangle compris entre les deux diagrammes partiels. Pourob- tenir un échange de chaleur sans perte,il faut donc que la bande inférieure du diagramme soit un peu plus large, et la lande supé- rieure un peu plus étroite que la moitié du diagramme primitif. a chaleur de condensation à évacuer par l'eau de refroidisse ent dans le diagramme inférieur sera donc un peu plus grande que si le diagramme était exactement partagé en deux.
La quantité de chaleur à apporter dudehors dans le diagramme supérieur augmente exactement dans la même mesure. L'augmentation de l'apport de chaleur malgré que la bande du diagramme soit étroite exige un déplacement additionnel de cette partie du diagramme vers le haut, comme si le susdit triangle n'existait pas,c'est à dire comme si les lignes limites en question étaient parallèles.
Si au lieu de petites quantités de solution fortement dégagées il y a en circulation de grandes quantités de solution dont les concentrations sont maintenues aussi élevées que possible,pour que les températures d'absorption ne dépessent que le moins possi- ble la température de refroidissement,le procédé indiqué par la fig. 4 n'est pas réalisable. Par contre,le procédé qui fait l'ob- jet de l'invention et suivant lequel la division des surfaces du' diagramme peut encore être poussée plus loin est plus facile à réaliser. La fig. 6 montre une division du diagramme en trois ban- des.
La fig. 7 représente une installation pour la réalisation du procédé indiquépar les fig. 4 et 5.
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Le bouilleur à haute pression 1 est chauffé au moyen d'une flamme de gaz 2. Les gaz expulsés vont par le conduit 3 au conden- seur 4,qui est monté dans la partie inférieure du bouilleur à pres' sion normale 5. Le liquide condensé traverse,par les conduits
6 et 7,le réfrigérant complémentaire 8,qui est'également monté dans le bouilleur normal et dans lequel ce liquide'est refroidi, pour être envoyé ensuite par le régulateur à flotteur 9 et le conduit 10 dans le condenseur 11 du bouilleur normal.
Dans le condenseur 11,le gaz amené du bouilleur normal par le conduit 12 est condensé par l'action réfrigérante d'eau ou d'air.
Les deux liquides condensés sont amenés ensemble à l'évapo- rateur 14 par le régulateur 13. le fluide frigorifique évaporé sortant de l'évaporateur passe par le conduit 16 dans le conduit 17,ou il rencontre le dissolvant Celui-ci est pria dans le bouilleur à haute pression,à son endroit le plus bas, où la température est la plus élevée et où la con- centration est la plus faible (poids spécifique maximum.) .Il monte dans le bouilleur à travers le serpentin échangeur de cha- leur 18 et arrive en haut à l'organe de réglage 19,dans lequel il se détend jusqu'à la pression de l'évaporateur pour passer ensuite dans le conduit 17, dans lequel il rencontre le fluide frigorifique à absorber.
Le mélange de vapeur et de solution faible monte dans le ser- pentin 20,dans lequel l'absorption commence à une température relativement élevée (T'2 T"2 dans la fig. 3). Le serpentin est monté dans le bouilleur normal, afin d'utiliser pour la première expulsion la chaleur d'absorption qui s'y dégage (T4 T"4 dans la fig. 3). La s lution et la partie du gaz non encore absorbée vnt par le conduit 21 dans la partie 22 de l'absorbeur, partie qui doit être refroidie par de l'eau de refroidissement ou ae l'air.
Lorsque la solution s'est saturée dans cette partie, elle s'accumule dans le récipient 23, d'où elle est refoulée par la pompe 24, à travers l'échangeur de chaleur 25 et le conduit 26, dans la partie supérieure du bouilleur à pression normale.Dans ce- lui-ci la solution est chauffée graduellement sous l'action du sous-refroidisseur,de la première partie de l'absorbeur du con-
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denseur à haute pression et des gaz d'échappement du bouilleur à haute pression,et elle dégage son gaz en tombant au fond sous l'action de l'augmentation de son poids spécifique.
la solution ainsi préalablement débarrassée de son gaz sort du bouilleur , pression normale à l'extrémité inférieure et passe ensuite par le conduit 27 dans le récipient'de trop plein 28,dont la chambre de gaz est en communication, par le conduit 29, avec la chambre de gaz du bouilleur. La solution qui s'ecou- le par le trop plein dans le conduit 30 est aspirée par la pompe 31 avec un petit excès de gaz et envoyée au bouilleur à haute pre sion par le.conduit 32 pour le dégagement final du gaz. Le con- duit 32 est combiné de préférence avec la partie inférieure du conduit 17 pour former un échangeur de chaleur (non représenté) afin de pouvoir ramener utilement au bouilleur celle des parties de la chaleur sortant du bouilleur à haute pression avec la solu- tion pauvre qui est superflue pour l'absorption.
La fig. 8 montre une machine pour la réalisation du procédé indiqué par la fig. 6,sauf que le dégagement de gaz commence dans le bouilleur à haute pression, se continue dans le bouilleur à pression moyenne et se termine dans le bouilleur à pression nor- male. Dans cette construction il ne faut qu'une pompe à solution refoulant la solution directement dans le bouilleur à haute pression,le transport ultérieur de la solution pouvant être obtenu au moyen de soupape à flotteur à fonctionnement automa- tique.
Le bouilleur à haute pression 1 est chauffé au moyen de la 'flamme 2 et les gaz expulsés sont amenés par le conduit 3 au condenseur 4 monté dans le bouilleur à pression moyenne 5. Le liquide condensé est amené,par l'organe de réglage 6 et le con- duit 7 au condenseur 8 monté dans le bouilleur à pression nor- male.Ce condenseur est alimenté par le conduit 9 en fluide frigorifique expulsé du bouilleur à pression moyenne,fluide qui se condense en chauffant le bouilleur 10 à pression normale.
Le fluide condensé du bouilleur à haute' pression et du bouilleur à pression moyenne.est amené, du condenseur 8,par la soupape
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de réglage 11 et le conduit 12, au condenseur 13 du bouilleur à pression normale avec lequel la communication estétablie par le conduit 14. Le fluide condensé des trois bouilleurs est amené par la soupape de réglage 15 à l'évaporateur 16.
La solution ayant été déchargée est conduite, du bouilleur à pression normale, à l'absorbeur 22 par le conduit 18, l'échangea de chaleur 19,1a soupape à flotteur 20 et le conduit 21,dans lequel elle rencontre les vapeurs venant de l'évaporateur 6 par conduite 23. Toute l'absorption a lieu dans l'absorbeur 22. La solution riche est r;ceuillie par le récipient 24 et envoyée par la pompe à solution 25 dans le bouilleur à haute pression à travers les échangeurs de chaleur 26,27,28 et 29.
Après le premier dégagement de gaz,la solution sort du bouilleur à haute pression par le conduit 30,traverse 3 'éditeur de chaleur 51,la soupape à flotteur 32 et arrive par le conduit 33 au bouilleur à pression moyenne, pour aller ensuite, après un deuxième dégagent de gaz,au bouilleur à pression normale à travers le conduit 34,l'échangeur de chaleur 55,la soupape à flotteur 36 et le conduit 37.
REVENDICATIONS.
1) Machine frigorifique à absorption,caractérisée en ce que les quantités de fluide frigorifique expulsées du bouilleur en deux ou plus de deux étages sont condensées séparément dans deux ou plus de deux condenseurs,et que les quantités de chaleur de condensation dégagées dans les étages supérieurs sont utilisées pour l'expulsion du fluide frigorifique dans les étages infé- rieurs.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Absorption refrigeration machine,
The invention relates to a refrigerating machine with absorption and consists in that the quantities of refrigerating fluid expelled from the boiler in two or more stages are condensed separately in two or more condensers, and that the quantities of heat of condensation released in the upper floors are used for expelling the refrigerant in the lower floors. The purpose of this is to obtain an improvement in the thermal efficiency of the machine and consequently a saving in heating and cooling.
The basic principles in this case will be explained with the help of schematic figures 1 to 5 of the drawings.
Fig. 1 shows the entropy temperature diagram for the movements of heat in an ideal refrigeration machine.
To transport a quantity of heat Q1 from the temperature level T1 to the temperature level T2 by means of a refrigerating fluid describing a cycle, that is to say returning periodically to its initial state, it is necessary that a quantity temperature Q4 drops from temperature level T4 to temperature level T3. The amount
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of heat Q2 transmitted to the refrigerating fluid. 'at Temperature level T2 is greater than the quantity', of heat Q1. The difference between the two is borrowed from the quantity of heat Q4.
So we have the equation
Q4 - Q3 = O2- Q1 or Q4 = Q3 + (Q2 - Q1).
The quantity of heat Q4 that must be expended at the temperature level T4 to obtain a production of cold Q1 at the temperature level T1 therefore consists of two parts: firstly the quantity of heat Q3, which is removed at the temperature limit - lower rature after the heat shift from T4 to T3, and secondly the difference between the two amounts of heat, that which is supplied aa and that which is removed from the main heat movement. If we want to increase the economy of the machine, we must therefore reduce to a minimum the two parts of which the quantity of heat Q4 is composed.
In this respect, compression machines are already very sophisticated. From a purely thermal point of view, the conditions are, for these machines, appreciably more favorable than for the absorption machines. 1 shows the heat movements which occur in a compression machine actuated by a steam engine, if one neglects of patis eacrte relatively to the ideal functioning.
The downward movement of Ti at T2 $ occurs in the compression machine, the heat Q2 being removed mainly by the cooling water during liquefaction of the refrigerant. It is essentially favorable, under these conditions, that this liquefaction can take place at a constant temperature so that the temperature T2 can be practically the same over the whole width of the diagram and that it does not exceed the temperature of the available cooling water more than.
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this is not necessary for reasons of order .te? ha.i21 | L2µtf, i 'I' "movement of heat from the temperature level T9 u :. t takes place in the steam engine.
This movement of ¯M & fïloié1IrfiIi quite independent of what happens in) '' * tN '.' .1 ### - # '-' 'dii
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It is only the quantity of heat (Q2 -Q1) to be transported from the steam engine to the compressor, which takes place, as we know, in the form of mechanical energy.
In compression machines of this kind, great freedom reigns in the determination of the heat movement from T4 to T3.
The thermally most favorable processes are preferably chosen for this, i.e. those in which the temperature levels T4 and T3 are very far from each other, and in which consequently, for a determined difference between Q4 and Q3, Q4 as well as Q3 are as small as possible. This is what is shown in fig. l, by the tall and narrow shapes of the diagram on the right.
In the absorption machine the conditions are all different and they are appreciably more unfavorable from the thermal point of view, first because of the peculiarity of the absorption process, and secondly because of the closer relationship between the two. heat movements. Fig. 2 shows the heat movements in an absorption machine of the type used heretofore.
We have assumed a perfect temperature exchange, that is to say an exchange which is not limited to the poor solution and the rich solution, but in which the refrigerant is also made to participate in its path from the boiler. to the condenser, from the condenser to the evaporator and from the evaporator to the absorber, and in which the quantities of circulating absorption fluid and refrigerant are subjected to a complete temperature change. We have also neglected the thermal influence of the pressure variations to which the absorption fluid and the refrigerant are subjected, as well as the influence of the evaporation of the absorption fluid.
The diagrams are therefore limited to operations of essential thermal importance, ie evaporation and absorption, expulsion and condensation respectively. This is why, in these diagrams, the junction lines between the operations indicated are drawn vertically. In reality, these assumptions are not entirely verified, but this does not change anything in the sense of the explanations which follow. It can be assumed that the diagram indicates the variations in state of the fried fluid.
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Gorific, the absorption fluid being assumed to be thermally indifferent, apart from its property of absorbing and expelling the refrigerating fluid under suitable pressure and temperature conditions.
In absorption machines, the refrigerant goes through a double 8-shaped cycle which includes the two heat movements shown separately in fig. 1 and which takes place in the following order: evaporation (ab), absorption (cd), expulsion (ef) and condensation- (gh).
In this case, the quantity of heat Q2 is evacuated not, as in compression machines, during the condensing of the refrigerant, but mainly during absorption. In the process represented by fig. 2, the quantity of heat Q2 is not entirely evacuated during the absorption, a part remains in the refrigerant after the end of the absorption (the entropy is in d greater than in a), and goes through, the upper loop of the cycle so as to be expelled, with the quantity of heat Q3, only during the condensation of the refrigerant. There is therefore a supply Q1 on the path to an event 02 by cd and dh a Q4 support by of jet from a to b, a Q2 evacuation by cd and dh,
a Q4 spport by of -and a Q2 evacuation by ce and dh, a Q4 contribution by ef'and "a Q3 evacuation by gd. It follows from the equation Q4 = Q3 (Q2-Q1) that the surface defgda the same area that the surfis - abedh A. It is also in this case of two thermal actions whose magnitudes are represented by the surfaces in question and which neutralize each other.
The shape of the top loop d e f g d is important from the point of view of economic efficiency, depending on whether it is wide and low, or narrow and high. This shape is influenced by the properties of the refrigerant in question and by the way it behaves with respect to the absorption fluid.
We can of course expect that the difference in temperature between expulsion and condensation or between absorption and evaporation, the condensation of the solution being constant (for example the distances fg or cb) is a works there
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absolute temperature and rises and falls with it. In absorption machines $ where the refrigerant is ammonia and the absorption fluid is a dissolution of ammonia in water, the temperature difference in question actually increases with the absolute temperature, which is advantageous for the economic efficiency of the machines: the heights of the upper loop are greater and correspondingly the widths smaller than those of the lower loop.
In ammonia absorption machines, the point g is found, as shown moreover in fig. 2, to the left of point b. Un 'is not impossible because point d is to the left of point and, instead of being to the right, but in all cases the distance between points d and g is smaller than the distance between points a and b. In fig. 3, for greater clarity and to facilitate comparison with FIG. 1, the two loops, which relate respectively to the two heat movements, are shown separately.
The first unfavorable factor for the economic efficiency of the absorption machine is that the heat dissipation
Q2 occurs, as has already been said, not during condensation, but mainly during absorption of the refrigerating fluid. Contrary to what happens with condensation, absorption does not take place at constant temperature. The weak solution coming from the boiler begins to absorb at a temperature more or less higher, depending on the degree of expulsion, than the temperature of the cooling water. It is only after the absorption has progressed for some time that the absorption temperature gradually approaches the temperature of the cooling water.
This phenomenon is shown in fig. 3 by the inclination of the line T2-T2 (Q2-Q1) is therefore greater than in compression machines. The second unfavorable factor is the mode of movement of additional heat from T4 to T3. This mode is nothing less than independent of the main heat movement. It is even exactly the reverse, except that it takes place between slightly higher temperature limits and it has, apart from the deviations. already indicated, the same characters
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thermal characteristics.
A comparison with fig. 1 allows' to recognize what the shape of the diagram on the right, in fig. 3, has an unfavorable thermal point of view:
It is known that the efficiency of the absorption machine can be improved by borrowing the heat Q4 in part from the heat Q2.
For this, the temperature T2 must be higher than the temperature T4. Fig. 4 schematically represents this process. We
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circulates a small quantity of strongly evolved solution in the boiler, the absorption being able to thus result in higher temperature. between T "4 and T4. That is to say that 1 a '' chai ear '* released at the start of absorption is used for the defagB ëfiîi | in the boiler. From a thermal point of view this means *' d the quantity of heat which has been raised from ik up to T "2T'2 falls, by T4 T" 4 up to la, which conicide with no.
The two surfaces covered with hatching therefore cancel each other out and we can assume the thermal processes represented by the surfaces not comprising hatching.
A comparison with fig. 3 allows us to recognize that the right part now has a much more favorable shape.
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thermally. The base has shrunk and the grandeur has shrunk. However there are some limits to the execution of '1!' E} e & -, '# process. The lines T2, T'2 and T4, T'4 can only overlap on a relatively small part. For T'4, certain limits cannot be exceeded, depending on the pressure at the condenser, otherwise too large quantities of absorption fluid would be expelled with the refrigerant.
It follows from the left part of FIG. 4 that even after removing the part covered with hatching Q2-Q1 is still larger than in compression machines, and sometimes even that it is even larger than in ordinary absorption machines operating without recuperation of heat of absorption. Therefore a strong inclination of the temperature line T2 T'2 is not only irrational by itself from a thermal point of view, it further increases the
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risks of expulsion of absorption fluid, risks which can compromise evaporation.
The idea of the invention aims at an improvement of the efficiency which can be used, either in combination with the improvement mentioned above, or independently thereof, and relating only to the movements of the body. heat in the secondary process, without however modifying the main process. The reason for which the absorption is not economical is mainly, as already mentioned above, that the condensation of the refrigerant, which must evaporate again in the evaporator, is the basis of the secondary process. In known absorption machines, the condensation takes place at a temperature close to that of the cooling water. All the heat of condensation is removed as unnecessary and waste heat.
A substantial thermal improvement can be achieved by dividing the condensation of the refrigerant into two or more separate operations which take place at appropriate temperature levels and in stages with respect to each other. The heat of condensation given off at the higher temperature level (s) is too valuable to be removed as unnecessary and wasted heat; on the contrary, the condenser in question constitutes a source of heat which can be used for the expulsion.
It is known that the secondary process of a refrigeration machine is not in itself related to the temperature level of the cooling water. When a compression refrigeration machine is operated, for example, by an internal combustion engine, the secondary process takes place at temperatures much higher than those indicated in fig. 1.
According to the invention, however, part of the secondary process remains closely in the vicinity of the temperature level of the cooling water, while only the other parts of it move away.
Fig. 5 shows, starting from the right part of fig. 4,
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the condensation of the refrigerant in twoëtaj | è * w, 1! ij # KH ture.On can increase the temperature of condensatioil, if i '; Pli; by taking, instead of cooling water for the heat discharge, another cooling medium whose temperature is correspondingly higher. The condensing pressure increases with the increase in the condensing temperature. We assume the surface T "4 T'4 q p of the diagram divided by the line T" 4 r into two bands having approximately the same width. For the right-hand band, the condensing temperature can be increased up to the buffer T "4 or beyond.
However, the increase in pressure which accompanies the increase in temperature requires in the first line, for the right band, a boiler whose working pressure is correspondingly increased compared to that of the normal boiler for the band of left.
As regards the desired temperature increase for the right-hand band, this is achieved by using the normal boiler, instead of the refrigerant, for the removal of heat from the high pressure condenser. To represent the thermal result thus obtained, we can suppose that the right band of the diagram is moved to come above in the extension of the left band and connect to it. (For the sake of simplicity it has been assumed that the shape of the strip does not vary as a result of this displacement, which however is not the case in reality. In ammonia absorption machines, for example, the heights increase, widths decrease and yields correspondingly become better than shown in Figs. 5 and 6).
For the diagram, we thus obtain a surface having approximately a double height and a width of half monk large, that is to say a -surface the shape of which is closer to that of the corresponding surface of FIG. 1.
The connection of the two bands of the diagram is made possible by the fact that the boundary lines can be thermally eliminated between them, that is to say that the heat leaving the upper band of the diagram, at the bottom, enters, up in the
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lower band of the diagram, ie which remains internal. The small triangle between the two surfaces of the diagram corresponds to a thermal loss (irreversible heat drop), the influence of which can be estimated from the figure.
When the diagram is split into two bands of the same width, the heat of condensation of the upper diagram and the expulsion heat of the lower diagram cannot coincide exactly. The heat of condensation is greater, the difference being equal to the quantity represented by the area of the triangle included between the two partial diagrams. To obtain a lossless heat exchange, the lower band of the diagram must therefore be a little wider, and the upper heath a little narrower than half of the original diagram. The heat of condensation to be evacuated by the cooling water in the lower diagram will therefore be a little greater than if the diagram were exactly split in two.
The amount of heat to be brought out in the upper diagram increases to exactly the same extent. The increase of the heat input despite the fact that the band of the diagram is narrow requires an additional displacement of this part of the diagram upwards, as if the aforesaid triangle did not exist, i.e. as if the limit lines in question were parallel.
If instead of small quantities of strongly evolved solution there are circulating large quantities of solution, the concentrations of which are kept as high as possible, so that the absorption temperatures exceed the cooling temperature only as little as possible, the process indicated by FIG. 4 is not feasible. On the other hand, the method which forms the object of the invention and according to which the division of the surfaces of the diagram can be carried further still is easier to carry out. Fig. 6 shows a division of the diagram into three bands.
Fig. 7 shows an installation for carrying out the process indicated by FIGS. 4 and 5.
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The high pressure boiler 1 is heated by means of a gas flame 2. The expelled gases go through line 3 to the condenser 4, which is mounted in the lower part of the normal pressure boiler 5. The liquid condensate passes through the conduits
6 and 7, the additional refrigerant 8, which is also mounted in the normal boiler and in which this liquid is cooled, to then be sent through the float regulator 9 and the pipe 10 into the condenser 11 of the normal boiler.
In the condenser 11, the gas supplied from the normal boiler through line 12 is condensed by the cooling action of water or air.
The two condensed liquids are brought together to the evaporator 14 by the regulator 13. the evaporated refrigerant leaving the evaporator passes through the duct 16 into the duct 17, where it meets the solvent. This is taken into the condenser. high pressure boiler, at its lowest point, where the temperature is highest and where the con- centration is lowest (maximum specific gravity). It rises in the boiler through the heat exchanger coil 18 and arrives at the top at the adjustment member 19, in which it expands to the pressure of the evaporator to then pass into the duct 17, in which it meets the refrigerant to be absorbed.
The mixture of steam and weak solution rises in the coil 20, in which the absorption begins at a relatively high temperature (T'2 T "2 in fig. 3). The coil is mounted in the normal boiler, in order to use for the first expulsion the heat of absorption which is released there (T4 T "4 in fig. 3). The solution and the part of the gas which has not yet been absorbed comes through line 21 into part 22 of the absorber, which part must be cooled by cooling water or air.
When the solution is saturated in this part, it accumulates in the container 23, from where it is discharged by the pump 24, through the heat exchanger 25 and the pipe 26, in the upper part of the boiler. at normal pressure, in which the solution is gradually heated under the action of the sub-cooler, the first part of the absorber of the con-
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denser at high pressure and exhaust gases from the high pressure boiler, and it gives off its gas by sinking to the bottom under the action of the increase in its specific weight.
the solution thus previously freed of its gas leaves the boiler, normal pressure at the lower end and then passes through line 27 into the overflow receptacle 28, the gas chamber of which is in communication, through line 29, with the gas chamber of the boiler. The solution which flows through the overflow in line 30 is drawn by pump 31 with a small excess of gas and sent to the high pressure boiler through line 32 for final gas evolution. The duct 32 is preferably combined with the lower part of the duct 17 to form a heat exchanger (not shown) in order to be able to usefully return to the boiler that of the parts of the heat leaving the boiler at high pressure with the solution. poor which is superfluous for absorption.
Fig. 8 shows a machine for carrying out the process indicated by FIG. 6, except that the evolution of gas begins in the high pressure boiler, continues in the medium pressure boiler and ends in the normal pressure boiler. In this construction, only a solution pump is required which delivers the solution directly into the high pressure boiler, the subsequent transport of the solution being obtained by means of an automatically operating float valve.
The high pressure boiler 1 is heated by means of the flame 2 and the expelled gases are brought through line 3 to the condenser 4 mounted in the medium pressure boiler 5. The condensed liquid is fed through the regulator 6. and line 7 to the condenser 8 mounted in the boiler at normal pressure. This condenser is supplied by line 9 with refrigerating fluid expelled from the boiler at medium pressure, fluid which condenses on heating the boiler 10 at normal pressure.
The condensed fluid from the high pressure boiler and the medium pressure boiler is fed from the condenser 8 through the valve
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control 11 and line 12, to the condenser 13 of the boiler at normal pressure with which communication is established by line 14. The condensed fluid from the three boilers is brought through the control valve 15 to the evaporator 16.
The solution having been discharged is conducted, from the boiler at normal pressure, to the absorber 22 through line 18, the heat exchanger 19, the float valve 20 and the line 21, in which it meets the vapors coming from the Evaporator 6 through line 23. All absorption takes place in absorber 22. The rich solution is collected by vessel 24 and sent by solution pump 25 to the high pressure boiler through the heat exchangers. 26,27,28 and 29.
After the first evolution of gas, the solution leaves the high pressure boiler through line 30, passes through the heat editor 51, the float valve 32 and arrives through line 33 to the medium pressure boiler, to go then, after a second release gas to the boiler at normal pressure through line 34, heat exchanger 55, float valve 36 and line 37.
CLAIMS.
1) Absorption refrigeration machine, characterized in that the quantities of refrigerating fluid expelled from the boiler in two or more stages are condensed separately in two or more condensers, and that the quantities of heat of condensation released in the upper stages are used for the expulsion of the refrigerant in the lower stages.
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