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" MACHINE A FROID "
On connaît des machines à froid dans lesquelles deux liquides différents et de poids spécifiques différents effec- tuent chacun un circuit fermé, auquel cas l'évaporation de l'un des liquides, provoquée par cession de chaleur, alimente un ajutage qui crée le vide nécessaire pour l'évaporation du second liquide.
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On a aussi déjà proposé d'utiliser, comme liquide à évaporer par la chaleur, du mercure, afin de provoquer ainsi l'évaporation d'éther jouant le rôle d'agent réfrigérant.
Conformément à l'invention, lorsqu'on utilise des pompes à injection avec la vapeur de mercure, on n'emploie pas, a@ent comme-.,réfrigérant, de substances à haute tension de vapeur tel- les que l'éther ( 440 mm. de mercure à 200 C. ) mais plutôt des substances à tension de vapeur plus faible telles, par exemple, que l'eau, la pyridine, l'octane, etc. L'idée directrice de la présente disposition est avant tout cette considération qu'il est beaucoup plus économique de produire de la vapeur de mer- cure pour un ajutage qui n'a à travailler que contre'20 à 40 mm. de pression que contre 440 mm. et que le risque d'une dé- composition de l'agent réfrigérant, résultant de la recentre de ses vapeurs avec celles du mercure, est d'autant plus faible que la température des vapeurs de mercure est moins élevée.
Aucune soupape d'admission n'est en outre nécessaire pour l'évaporateur car une colonne de liquide relativement courte suffit à faire équilibre à la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur. Comme il faut compter une température de l'eau de refroidissement d'environ 20 C., ceci revient à dire que :
1 .- Le mercure est/introduit dans le bouilleur à une températ-ure de 20 , et doit dès, lors être porté de cette température à celle d'ébullition. Ce point d'ébullition est d'autant plus élevé'que la pression à l'avant de l'ajutage est plus forte.
On peut rappeler, à titre de comparaison, que le mercure ne bout qu'à 328 sous 440 mm., à 2610 sous 100 mm., à 235 sous 50 mm. et que,
2 .- dans le condenseur il règne une pression cor- respondant à la pression de saturation de l'agent réfrigérant à une température voisine de 200. ( Cette pression de satura-
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tion est par exemple de 17 mm. pour l'eau, de 10 mm. pour l'octane ) . ( La pression de saturation du mercure à 200 est pratiquement négligeable ).
Cette pression réduite dans le condenseur de la pompe d'injection à vapeur de mercure, c'est-à-dire en quelque sorte, ce bon vide préalable de la pompe d'injection à vapeur de mercure est/entretenu de façon automatique par la condensa- tion qui s'effectue de manière permanente des vapeurs d'agent réfrigérant aspirées, en supposant qu'il ne se produise aucune pression partielle étrangère imputable à des défauts d'étan- chéité ou à des produits de décomposition. On exclut, de ma- nière connue, le risque de défauts d'étanchéité en ce qu'il est fait le vide dans l'appareil, après quoi, puisqu'on ne fait évidemment pas usage de boites d'étanchéité, on le scelle hermétiquement.
D'autre part, le risque d'une décomposition de l'agent réfrigérant se trouve pratiquement exclu, précisément par suite de la possibilité qu'il y a , conformément à l'inven- tion, d'utiliser une vapeur de mercure à basse température.
On obtient ainsi un appareil d'un fonctionnement très s'Or, notamment si on l'utilise sous forme d'un petit groupe frigorifique de ménage, et l'économie dans la quantité de chaleur nécessaire pour produire la quantité voulue de va- peur de mercure et qui est un résultat de l'emploi d'un agent réfrigérant à tension de vapeur faible, permet, en outre, de brancher l'appareil, s'il est à chauffage électrique, sur n'importe quelle installation de lumière. ( Pour d'autres usa- ges, la grandeur d'exécution n'est évidemment pas limitée ).
La Fig. 1 représente le mode d'exécution suivant :
A leur sortie du bouilleur 1 d'une pompe 'd'injection à vapeur de mercure, les vapeurs se rendent, par la tubulure 2 et les ajutages 3 et 4 dans le condenseur 5 qui est refroidi par un refroidisseur à eau 6. L'évaporat eur 8 de l'agent ré- frigérant est relié d'une part par le raccord d'aspiration 9 @
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avec les ajutages 3 et 4, et, d'autre part, au moyen d'une con- duite de retour, avec le condenseur 5. La vapeur de mercure et les vapeurs de l'agent réfrigérant qui sont aspirées se conden- sent en commun dans le condenseur 5 ; le mercure liquide et l'a- gent réfrigérant liquide se superposent dans la tubulure de retour du mercure 7. Le mercure revient dans le bouilleur l,et l'agent réfrigérant dans l'évaporateur 8.
Dans le condenseur règne en permanence la pression qui correspond à la pression de saturation de l'agent réfrigérant à la température de l'eau de refroidissement; la pression dans le raccord d'aspiration est, par contre, variable et diminue à mesure que s'abaisse la température de l'agent réfrigérant dans l'évaporateur. La dif- férence de pression entre le condenseur 5 et le tube d'aspira- tion 9 est compensée, par suite du système communiquant consti- tué par l'évaporateur 8 et le condenseur 5, par la colonne li- quide correspondant à la différence de niveau entre 10 et 11.
Comme, d'une part, il faut donner une grande section à l'évapo- rateur afin de faciliter l'évaporation de l'agent réfrigérant et comme, d'autre part, il y a un avantage considérable à ce que, malgré les oscillations de la pression dans le raccord d'as- piration, le niveau du réfrigérant demeure constant dans l'é- vaporateur, on utilise, conformément à l'invention, un évapora- teur constitué par le très large épanouissement de l'une des branches d'un tube en U dont la section est d'ailleurs très faible et dont la longueur de branche est supérieure à la hau- teur de la colonne de liquide nécessaire pour l'équilibrage de la pression. On obtient ainsi ce résultat, qu'un abaissement de la pression dans l'évaportaieur ne se produit que dans le cas d'un abaissement considérable du niveau 10 dans l'autre branche étroite.
Comme un abaissement de niveau allant jusqu'à 20 om. environ, dans un tube d'environ 6 mm. de diamètre, ne provoque qu'une variation de volume de quelques centimètres cu- bes seulement dans l'évaporateur qui, lui, est très large, le
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niveau de celui-ci demeure, de ce fait,pratiquement constant.
Comme la condensation des vapeurs de l'agent réfrigé- rant, aspirées par la pompe d'injection à vapeur de mercure, s'effectue en même temps que la condensation des vapeurs de mercure, il se constitue fréquemment une solution colloïdale de mercure, Ce mercure en suspension ou en solution colloïdale dans le réfrigérant se rend' enmême temps que celui-ci dans les conduites réunissant le condenseur à l'évaporateur de milieu réfrigérant. Comme le mercure finit, à la longue, par se con- denser à cet endroit, il se produit des dépôts de mercure li- quide dans ces régions de la machine frigorifique.
La Fig. 2 représente un mode d'exécution dans lequel ce mercure dissous ne donne lieu à aucune perturbation dans le fonctionnement. Dans ce dispositif, il est prévu notamment que toutes les conduites de retour du réfrigérant de son condenseur à son évaporateur, ainsi que cet évaporateur lui-même, présen- tent une certaine-pente dirigée vers la tubulure de retour du mercure 21 destinée exclusivement à ramener le mercure condensé vers le bouilleur de mercure 22. Par ce moyen, on assure le re- tour automatique du'mercure condensé vers la tubulure de re- tour de mercure.
Dans ce cas donc, la hauteur totale de la colon- ne de liquide nécessaire pour la séparation des deux zones dif- férentes de pression d'une part dans le raccord d'aspiration et d'autre part dans le condenseur et qui est représentée dans la figure par la différence des deux niveaux de liquide 23 et 24 repose sur le mercure présent dans la tubulure de retour du mercure. Ce fait comporte diverses autres mesures supplément ai- res destinées à empécher que des variations de cette colonrie de liquide causent des perturbations. Il y a d'abord avantage à prévoir dans les conduites remplies de liquide, des étrangle- ments ou autres résistances à l'écoulement ( spirales ou analo- gues ) , par exemple au point 27 de la conduite 20, au-dessuus de l'évaporateur 14.
Il est en outre nécessaire que la tubulure
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de retour du mercure 21 descende suffisamment bas au-dessous du niveau 26 du mercure dans le bouilleur 22 afin que,même lors de la mise en activité de l'appareil et des fluctuations qu se produisent alors, la colonne liquide de l'agent réfrigé- rant trouve un contrepoids suffisant de mercure, de manière qu'elle ne puisse affluer dans le bouilleur 22 sous l'effet des oscillations. Pendant le service il faut en outre veiller à ce que le niveau 25 du mercure dans la tubulure de retour 21 se trouve à l'intérieur du refroidisseur à eau 28. On évite- ainsi la présence, à cet endroit, de mercure brûlant qui donnerait naissance, au sein du réfrigérant 'en voie de dépôt au-dessus,à des bulles de vapeur qui provoqueraient des secousses.
Afin d'é- viter que, par suite de la conductibilité thermique du mercure, la chaleur superflue du bouilleur 22 se rende dans le refroi- disseur 28, on donne de préférence au tuyau de retour 21 un diamètre aussi réduit que possible.
Eu égard à la position élevée qui, conformément à l'invention, s'ensuit pour l'évaporateur 14, celui-ci est en communication avec le condenseur 15 lors de la mse en activité de l'appareil. Ce n'est que lorsque la température commence à s'abaisser dans l'évaporat anr que le niveau diminue dans la branche 19. Maintenant, pour éviter que le tube à mercure qui conduit du bouilleur 22 à l'ajutage 23 soit entouré de réfrigé- rant à l'endroit où il traverse le condenseur 15, il eséntouré à cette place d'une enveloppe 34. Il y a avantage à ce que,peu avant l'ajutage 33, au point 36, l'enveloppe soit rigidement re- liée avec le tube de vapeur et forme d'ailleurs le fond du con- denseur 15.
A cet endroit, les vapeurs de mercure et de réfri- gérant qui se condensent contre les parois du refroidisseur à eau sont recueillies sous forme de gouttes qui sont évacuées par la conduite 19 qui débouche au point le plus bas du fond du con- denseur.
A sa partie inférieure 35 l'enveloppe 54 est dirigée @
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parallèlement au tube de vapeur de mercure, il est préférable d'y faire le vide afin que cette enveloppe vidée empêche les échanges de chaleur entre le tube de vapeur de mercure et l'a- gent réfrigérant.
L'appareil étant de préférence établi en métal, il convient de veiller à ce que, avec le temps, le vide ne devien- ne pas mauvais. A cet effet, l'appareil est muni d'une pompe à vide 16 dont le raccord d'aspiration 17 agit sur le condenseur 15 de la pompe d'injection à vapeur de mercure 12. On emploie de préférence une trompe à eau que l'on raccorde à la conduite 31 de sortie de l'eau de refroidissement. Si l'on emploie une trompe à eau dont la consommation d'eau corresponde exactement à celle du refroidisseur de la machine frigorifique, la dépense d'eau supplémentaire de cette trompe est nulle, A l'aide de cette pompe à vide on peut, le cas échéant, rétablir le vide dans la machine frigorifique en ouvrant le robinet 18.
Ceci peut être réalisé de manière absolument automatique si, comme l'indique la Fig. 3, on établit un joint à mercure dans la conduite d'as- piration de la trompe à eau. Dans le récipient 38 à moitié rempli de mercure pénètre un tube capillaire 37 d'environ 30 cm. de longueur et qui constitue une partie de la conduite d'aspi- ration, de telle manière qu'il ne plonge que très peu d ans le mercure. La conduite 40 reliée au raccord d'aspiration de la trompe à eau débouche, elle aussi, dans le réservoir 38 mais à plusieurs centimètres au-dessus du mercure. On obtient ainsi ce résultat que, si le vide devient mauvais dans la machine frigorifique, le joint à mercure se trouve rompu, si la trompe à eau fonctionne, et que la pression dans le condenseur dépasse une certaine valeur.
Si la trompe à eau est à l'arrêt, l'air pénétrant dans le réservoir 58 par la conduite 40 refoule le mercure dans le tube capillaire 37 dans lequel il se forme alors une colonne de mercure correspondant à la pression barométrique et à celle du condenseur. Cette colonne empêche l'air de pé-
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nétrer dans la machine frigorifique lorsque la trompe à eau ne fonctionne pas. 41 et 42 sont des filtres d'arrêt du mercure.
Corme la trompe à eau fonctionne de façon continue lors- que l'eau de refroidissement est en circulation, et c'est pres- que constamment le cas,il faut que l'ajutage de la trompe à eau soit constitué en une autre matière que du matai, car le métal n'est pas suffisamment résistant pour ce service. Il convient donc de construire le système d'ajutage de la trompe à eau entièrement ou en partie en verre, porcelaine ou matière analogue.
La Fig. 4 représente une tuyère en verre 43 de ce genre scellée dans un tube métallique 45 au-dessus et au-dessous d'une ouverture d'aspiration. Ce tube métallique présente un raccord d'aspiration 46, une arrivée d'eau 47 et une ouverture d'évacuation d'eau 48.
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"COLD MACHINE"
There are known cold machines in which two different liquids and of different specific weight each perform a closed circuit, in which case the evaporation of one of the liquids, caused by heat transfer, feeds a nozzle which creates the necessary vacuum. for the evaporation of the second liquid.
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It has also already been proposed to use, as liquid to be evaporated by heat, mercury, in order to thus cause the evaporation of ether playing the role of refrigerant.
In accordance with the invention, when injection pumps are used with mercury vapor, no high vapor pressure substances such as ether (eg as a refrigerant) are used. 440 mm. Of mercury at 200 C.) but rather substances with lower vapor pressure such as, for example, water, pyridine, octane, etc. The main idea of the present arrangement is above all this consideration that it is much more economical to produce mercury vapor for a nozzle which only has to work against 20 to 40 mm. of pressure than against 440 mm. and that the risk of a decomposition of the refrigerant, resulting from the refocusing of its vapors with those of mercury, is all the lower as the temperature of the mercury vapors is lower.
Furthermore, no inlet valve is necessary for the evaporator because a relatively short liquid column is sufficient to balance the pressure difference between the condenser and the evaporator. As it takes a cooling water temperature of around 20 C., this amounts to saying that:
1 .- The mercury is / introduced into the boiler at a temperature of 20, and must therefore be brought from this temperature to that of boiling. The higher the pressure at the front of the nozzle, the higher the boiling point.
It may be recalled, by way of comparison, that mercury only boils at 328 under 440 mm., At 2610 under 100 mm., At 235 under 50 mm. and,
2 .- In the condenser there is a pressure corresponding to the saturation pressure of the refrigerant at a temperature close to 200. (This saturation pressure
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tion is for example 17 mm. for water, 10 mm. for octane). (The saturation pressure of mercury at 200 is practically negligible).
This reduced pressure in the condenser of the mercury vapor injection pump, that is to say in a way, this good prior vacuum of the mercury vapor injection pump is / maintained automatically by the Permanent condensing of the aspirated refrigerant vapors, assuming that no extraneous partial pressure occurs due to leaks or decomposition products. As is known, the risk of sealing defects is excluded in that the device is evacuated, after which, since obviously no sealing boxes are used, it is sealed. hermetically.
On the other hand, the risk of decomposition of the refrigerant is practically excluded, precisely because of the possibility that there is, according to the invention, to use a mercury vapor at low. temperature.
The result is an appliance which works very well, especially if it is used in the form of a small household refrigeration unit, and saves the amount of heat necessary to produce the desired amount of steam. of mercury and which is a result of the use of a refrigerant with low vapor pressure, allows, moreover, to connect the apparatus, if it is electrically heated, to any light installation. (For other uses, the execution size is obviously not limited).
Fig. 1 represents the following execution mode:
On leaving the boiler 1 of a mercury vapor injection pump, the vapors flow through the pipe 2 and the nozzles 3 and 4 into the condenser 5 which is cooled by a water cooler 6. The refrigerant evaporator 8 is connected on the one hand by the suction connection 9 @
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with nozzles 3 and 4, and, on the other hand, by means of a return pipe, with the condenser 5. The mercury vapor and the vapors of the refrigerant which are sucked in, condense in common in condenser 5; the liquid mercury and the liquid refrigerant are superimposed in the mercury return tubing 7. The mercury returns to the boiler 1, and the refrigerant to the evaporator 8.
In the condenser permanently reigns the pressure which corresponds to the saturation pressure of the refrigerant at the temperature of the cooling water; the pressure in the suction connection, on the other hand, is variable and decreases as the temperature of the refrigerant in the evaporator decreases. The pressure difference between the condenser 5 and the suction tube 9 is compensated, as a result of the communicating system constituted by the evaporator 8 and the condenser 5, by the liquid column corresponding to the difference level between 10 and 11.
As, on the one hand, it is necessary to give a large section to the evaporator in order to facilitate the evaporation of the refrigerant and as, on the other hand, there is a considerable advantage that, despite the oscillations of the pressure in the suction connection, the level of refrigerant remains constant in the evaporator, in accordance with the invention, an evaporator is used consisting of the very large expansion of one of the branches of a U-shaped tube, the section of which is moreover very small and the branch length of which is greater than the height of the liquid column necessary for pressure balancing. The result is thus obtained that a lowering of the pressure in the evaporator only occurs in the case of a considerable lowering of the level 10 in the other narrow branch.
As a lowering of level of up to 20 om. approximately, in a tube of approximately 6 mm. in diameter, only causes a variation in volume of only a few cubic centimeters in the evaporator which is very large, the
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therefore, its level remains practically constant.
As the condensation of the vapors of the refrigerant, sucked in by the mercury vapor injection pump, takes place at the same time as the condensation of the mercury vapors, a colloidal solution of mercury is frequently formed. mercury in suspension or in colloidal solution in the refrigerant goes at the same time as the latter in the pipes connecting the condenser to the evaporator of refrigerant medium. As the mercury eventually condenses there, deposits of liquid mercury occur in these areas of the refrigeration machine.
Fig. 2 shows an embodiment in which this dissolved mercury does not give rise to any disturbance in the operation. In this device, provision is made in particular for all the refrigerant return pipes from its condenser to its evaporator, as well as this evaporator itself, have a certain slope directed towards the mercury return pipe 21 intended exclusively for returning the condensed mercury to the mercury boiler 22. By this means, the automatic return of the condensed mercury to the mercury return tubing is ensured.
In this case therefore, the total height of the liquid column necessary for the separation of the two different pressure zones on the one hand in the suction connection and on the other hand in the condenser and which is shown in the figure by the difference of the two liquid levels 23 and 24 is based on the mercury present in the mercury return pipe. This fact includes various other additional measures designed to prevent variations in this liquid colon from causing disturbances. It is first of all advantageous to provide in pipes filled with liquid, constrictions or other resistance to flow (spirals or the like), for example at point 27 of pipe 20, above the line. 'evaporator 14.
It is further necessary that the tubing
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return of the mercury 21 drops sufficiently low below the level 26 of mercury in the boiler 22 so that, even when the device is activated and the fluctuations which then occur, the liquid column of the refrigerated agent - Rant finds a sufficient counterweight of mercury, so that it cannot flow into the boiler 22 under the effect of the oscillations. During operation it is also necessary to ensure that the level 25 of the mercury in the return pipe 21 is inside the water cooler 28. This avoids the presence at this point of hot mercury which would give birth, within the refrigerant 'being deposited above, to vapor bubbles which would cause jerks.
In order to prevent, owing to the thermal conductivity of mercury, the superfluous heat of the boiler 22 going to the cooler 28, the return pipe 21 is preferably made as small as possible in diameter.
Having regard to the elevated position which, in accordance with the invention, results for the evaporator 14, the latter is in communication with the condenser 15 when the apparatus starts up. It is only when the temperature begins to drop in the evaporate anr that the level decreases in branch 19. Now, to prevent the mercury tube which leads from the boiler 22 to the nozzle 23 is surrounded by refrigerated - rant where it passes through the condenser 15, it is surrounded in this place by a casing 34. It is advantageous that, shortly before the nozzle 33, at point 36, the casing is rigidly re bonded with the steam tube and moreover forms the bottom of the condenser 15.
At this point, the mercury and refrigerant vapors which condense against the walls of the water cooler are collected in the form of drops which are discharged through line 19 which opens at the lowest point of the bottom of the condenser.
At its lower part 35 the envelope 54 is directed @
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parallel to the mercury vapor tube, it is preferable to create a vacuum therein so that this emptied casing prevents heat exchanges between the mercury vapor tube and the refrigerant.
Since the apparatus is preferably made of metal, care should be taken that over time the vacuum does not become bad. For this purpose, the apparatus is provided with a vacuum pump 16, the suction connection 17 of which acts on the condenser 15 of the mercury vapor injection pump 12. A water pump is preferably used. 'is connected to the outlet pipe 31 of the cooling water. If we use a water pump whose water consumption corresponds exactly to that of the chiller of the refrigerating machine, the additional water expenditure of this pump is zero, using this vacuum pump we can, if necessary, restore the vacuum in the refrigeration machine by opening tap 18.
This can be done absolutely automatically if, as shown in Fig. 3, a mercury seal is established in the suction line of the water pump. Into the container 38 half filled with mercury penetrates a capillary tube 37 of about 30 cm. long and which forms a part of the suction line, in such a way that it immerses only very little in the mercury. The pipe 40 connected to the suction connection of the water pump also opens into the reservoir 38 but several centimeters above the mercury. We thus obtain this result that, if the vacuum becomes bad in the refrigerating machine, the mercury seal is broken, if the water pump operates, and the pressure in the condenser exceeds a certain value.
If the water pump is at a standstill, the air entering the reservoir 58 through the pipe 40 forces the mercury back into the capillary tube 37 in which a column of mercury is then formed corresponding to the barometric pressure and that of the condenser. This column prevents air from leaking
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enter the refrigeration machine when the water pump is not working. 41 and 42 are mercury stop filters.
As the water pump runs continuously when the cooling water is circulating, and this is almost always the case, the nozzle of the water pump must be made of a material other than. matai, because the metal is not strong enough for this service. It is therefore appropriate to construct the nozzle system for the water pump entirely or in part of glass, porcelain or the like.
Fig. 4 shows such a glass nozzle 43 sealed in a metal tube 45 above and below a suction opening. This metal tube has a suction connection 46, a water inlet 47 and a water discharge opening 48.