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Système de cascade et son procédé de fonctionnement.
La présente invention concerne un procédé et un appa- reil pour transférer un liquide volatil, qui a été produit moyennant une certaine dépense et qui met en liberté une pha- se gazeuse pendant le transfert, d'une région de pression relativement basse vers une région de pression relativement élevée avec une perte par évaporation relativement petite de la matière.
Plus spéoialement, l'invention concerne un système de récipients et un mode de fonctionnement par lequel des char- ges de matière liquide précieuse, o'est à dire d'une matiez re fortement volatile à la pression atmosphérique normale, par exemple un gaz liquéfié tel que certains hydrocarbures liquéfiés, l'oxygène liquide, l'azote liquide, etc., sont transférées économiquement et rapidement d'un récipient d'a- limentation à pression relativement basse dans un récipient récepteur à pression relativement élevée, d'une manière qui provoque une recondensation importante de la phase gazeuse
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en liquide dans l'appareil de transfert, de façon à augmen- ter la quantité nette de liquide transférée.
L'invention a pour but, d'une manière générale, de four- nir un système perfectionné et une disposition de réoipients ainsi qu'un procédé de fonctionnement pour transférer des charges successives de matières liquides relativement froides ou de la nature indiquée, d'un récipient d'approvisionnement, à une pression relativement basse, dans un récipient final à une pression relativement élevée, d'une manière qui oonser- ve la capacité de condensation du liquide à une valeur éle- vée et l'utilise pour reconvertir la majeure partie de la phase gazeuse en liquide, ce qui réduit, dans une mesure qui est importante industriellement, les pertes produites lors- qu'on laisse s'échapper la phase gazeuse.
Plus spécialement, l'invention a pour but de fournir un système de récipients de transfert ainsi qu'un cycle de fonc- tionnement pour ceux-ci en vue d'effectuer le transfert d'un liquide volatil, en une succession de charges uniformes, d'un récipient d'approvisionnement dans un récipient récepteur par un certain nombre d'étages de pression croissante tandis que la phase gazeuse est envoyée en contre-courant;
le trans- fert est effectué d'une manière qui procure la capacité de condensation en une série d'accroissements pour que le re- froidissement de la phase liquide par rapport à la phase gazeuse puisse être utilisé avec un rendement pratique élevé, dans le but d'effectuer une forte condensation de la phase gazeuse résiduelle en phase liquide, de sorte que les pertes de la phase gazeuse, lorsqu'on met à l'air le récipient de transfert initial, peuvent être réduites à n'importe quelle valeur faible désirée.
Un but de l'invention est d'effectuer le transfert dé- siré de charges de la matière d'une manière qui exclut ef- feativement toute chaleur d'origine extérieure de la matière
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pendant le transfert avant un point déterminé, tel que l'ex- trémité de décharge, dans le trajet du transfert en vue de réduire autant que c'est praticable la mise en liberté de la phase gazeuse dans le trajet de transfert avant ce point déterminé. Cette exclusion est de préférence accomplie d'u- ne manière telle que la chaleur qui est communiquée de l'ex- térieur du système est sensiblement exclue tandis que la chaleur communiquée au liquide en venant de'parties du sys- tème est portée à une valeur très basse.
Un autre but encore est de fournir un système de réci- pients de transfert et un cycle de fonctionnement, destinés à effectuer le transfert rapide de gaz liquéfiés pour la con- sommation industrielle, notamment d'oxygène liquide, d'un ré- oipient de transport qui est à une pression relativement basse, vers un dispositif récepteur tel qu'un évaporateur ou un récipient d'emmagasinement à une pression relativement élevée, pour que des consommateurs industriels puissent être servis rapidement d'une manière qui réduit à une valeur né- gligeable ce qu'on appelle le soufflage vers l'atmosphère, et qu'on permette le débit économique de liquide ou de gaz en des points fortement séparés, en quantités variables, avec facilité et rapidité.
D'autres buts de l'invention apparaîtront dteux-mêmes ou seront signalés dans la suite.
L'invention comprend par conséquent les différentes opérations et la relation d'une ou de plusieurs de ces opéra- tions les unes par rapport aux autres, et l'appareil renfer- mant les caractéristiques de construction, les combinaisons d'éléments et la disposition de pièces qui conviennent pour effectuer ces opérations, le tout comme on l'a indiqué à titre d'exemple dans l'exposé détaillé qui suit et dont la portée d'application est spécifiée aux revendications.
Pour la compréhension complète de la nature et des buts
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de l'invention, on se reportera à la description détaillée donnée ci-dessous avec l'aide des dessins annexés dans les- quels :
La fig. 1 est une vue, en partie en coupe et en partie en élévation, montrant une forme de réalisation de ltinven- tion sur un véhicule et destinée à transporter industrielle- ment un gaz liquéfié, tel que l'oxygène liquide, et à trans- férer ce dernier au moyen de ce qu'on appelle ici des réci- pients montés en cascade vers un évaporateur transportable pour servir des consommateurs industriels de gaz oxygène.
La fig. 2 est une vue, en partie en coupe et en partie en élévation, montrant un système simple comprenant des ré- cipients reliés en cascade pour transférer un gaz liquéfié @ conformément à la présente invention.
La fig. 3 est une vue semblable montrant un système plus compliqué de récipients reliés de façon à incorporer le principe de la cascade, conformément à la présente inven- tion.
La fig. 4 est une vue analogue montrant un système en- core plus compliqué de récipients dont une partie est montée en série et une partie en parallèle pour transférer un gaz liquéfié conformément à la présente invention.
La fig. 5 est une vue en partie en élévation et en par- tie en coupe d'un autre système encore, comprenant des ré- cipients reliés en partie en série et en partie en parallèle, incorporant le principe de la cascade et destiné à effec- tuer rapidement un transfert de gaz liquéfié conformément à la présente invention.
Les figs. 6 et 7 sont des schémas explicatifs.
Il a été proposé jusqu'à présent de transférer une ma- tière liquide de faible volatilité, qui est pratiquement sta- ble à la température et à la pression atmosphérique, de ré- gions de basse pression vers des régions de haute pression
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au moyen de récipients reliés d'une manière capable d'impo- ser des pressions successivement accrues, d'une manière quel- que.peu analogue à l'emploi d'écluses dans les oanaux pour la navigation, reliant différents niveaux d'eau. Ces dispô- sitions antérieures n'ont jamais rencontré ni résolu les pro- blèmes rencontrés par la présente invention.
La présente invention procure un système de récipients de transfert à volume constant et un cycle de processus de fonotionnement pour effectuer la communication entre ceux-ci, système par lequel des charges sensiblement uniformes de li- quide sont soumises à une succession de pressions accrues jusqu'à ce qu'elles soient passées à la haute pression dési- rée, la phase gazeuse se présentant dans les récipients étant envoyée en sens inverse en relation d'échange de chaleur avec le liquide et soumise à une succession inverse de pressions, de telle façon qu'une partie importante de la phase gazeuse est reoondensée en liquide à chacune des pressions suocessi- vement plus basses.
Le nombre des étages employé est de pré- férence tel qu'on utilise la capacité totale de condensation du liquide dans une mesure aussi grande que possible; les produits de condensation en liquide de transfert étant obte- nus à un point tel que la matière dans la phase gazeuse res- tant dans un récipient initial qui est abaissé à la. pression atmosphérique, est réduite à une valeur qui est pratiquement négligeable. Un système de récipients communicants qui re- çoit des charges de liquide et effectue le passage en contre- courant de cette matière dans les phases gazeuse et liquide par étage, d'une manière telle que la phase liquide passe d'une région de basse pression dans une région de haute pres- sion, est pour plus de concision appelé un système en cascade.
L'exolusion de la chaleur du système en cascade de la présente invention est de préférence accompli dans le premier cas par l'emploi de moyens associés aux récipients de trans-
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fert pour isoler les récipients de la chaleur de l'extérieur du système. N'importe quel agent approprié isolant pour la chaleur peut être employé à ce propos, par exemple une enve- loppe de oarbonate de magnésium.
Il y a naturellement une certaine quantité de chaleur qui peut être communiquée supplémentairement au liquide en venant de pièces de système, telle que celle restant dans les parois des récipients de transfert par suite de leur capacité calorifique et retenue après chaque passage de gaz et égali- sation de pression. Cette ohaleur est communicable à la charge suivante de liquide entrant dans le récipient vu que les parois sont chauffées par la phase gazeuse et sont à une température légèrement supérieure à la température de la char- ge suivante. Pour exclure sensiblement l'entrée de cette cha- leur dans le liquide, lorsqu'il est ainsi admis, la capacité calorifique du moyen contenant le liquide est rendue relati- vement petite.
Ceci est réalisé de préférence en munissant les réoipients de transfert ou une partie désirée de ceux-ci de revêtements d'une nature qui retarde sensiblement la con- duction de chaleur entre les parois du récipient et son aon- tenu ; une forme préférée comprend des réceptacles en métal mince ou des paniers qui ont une masse relativement petite et une faible chaleur spécifique et viennent en contact aveo le liquide et le retiennent. Un semblable panier a de préfé- renoe une forme adaptée à aelle-dé l'intérieur du récipient et est supporté avec espacement par rapport aux parois inté- rieures, au moyen d'organes d'espacement ayant une oonduoti- bilité thermique relativement faible.
Une construction ap- propriée de récipients, de paniers et d'organes d'espacement est donnée au brevet américain n 1.948.477 publié le 20 février 1934 au nom de Zenner. 'Les tuyauteries employées pour relier les récipients peuvent être pourvues d'un revê-
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tement analogue, si on le désire.
L'exclusion de chaleur, telle qu'elle est ioi proposée, est importante pour effectuer le transfert de liquides vola- tils de la nature indiquée, en raison des différences de tem- pérature relativement grandes rencontrées et des chaleurs latentes généralement petites des matières qui sont vapori- sées. Autrement, la chaleur entrant de l'extérieur et cel- le communicable venant des pièces du système peuvent provo- quer la production excessive d'une phase gazeuse pendant le transfert effectué. L'oxygène liquide a une très petite ohaleur latente, qui devient plus petite lorsqu'on approche de la pression critique. Par conséquent, on voit qu'il est désirable de rendre l'exclusion de chaleur ici pratiquée la plus rigoureuse pour les récipients qui sont associés aux pressions les plus élevées.
Lorsque les pressions sont fai- bles, c'est à dire dans le voisinage de quelques atmosphères, ou lorsqu'on transfère certains hydrocarbures liquéfiés, l'em- ploi de paniers peut être supprimé.
L'exclusion de la chaleur ici pratiquée préserve la capa- cité de condensation du liquide, outre la réduction de masse de la phase gazeuse produite. La réfrigération du liquide est ainsi conservée d'une manière très efficace de sorte qu'une certaine quantité de condensât est obtenue qui est a-
Joutée à la phase liquide transférée.
On voit également qu'un gaz liquéfié tel que l'oxygène liquide contient un emmagasinement d'énergie dite disponible par suite de sa basse température et de sa haute densité.
Cette énergie disponible peut être utilisée dans un appareil approprié pour provoquer la.compression spontanée du fluide d'un liquide à basse pression à un gaz à haute pression et débiter celui-ci vers un point approprié en dehors du système.
Ceci est effectué, comme on peut le remarquer, sans apport d'énergie supplémentaire autre que la chaleur de l'espace en-
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vironnant, telle que celle de l'atmosphère environnante et sans perte appréciable de matière.
Il est proposé toutefois d'introduire de la chaleur de façon réglable, lorsqu'on le désire, pour accomplir la con- version finale en gaz. Ceci est fait lorsque la matière à transférer atteint un point déterminé, par exemple un évapo- rateur. Cela peut être réalisé toutefois en d'autres points, particulièrement dans un récipient dans lequel la matière passe par la température et la pression critiques. A ces pressions, le transfert sous les forces opératives d'un sys- tème qui dépend d'une différence de densités devient relati- vement inefficace' A cet effet, il est envisagé de munir ce récipient de transfert d'un moyen d'introduire de façon réglable de la chaleur.
La nature essentielle du présent système en cascade peut être vue d'après le système simple indiqué à la fig. 2.
Sur celle-ci deux récipients de transfert a et b, reliés en- tre eux, qui sont représentés pourvus d'un revêtement et munis d'enveloppes isolantes au point de vue thermique sont dis- posés pour effectuer un transfert de oharges de la nature in- diquée en deux étages à partir d'un récipient d'approvision- nement c, qui sert de source, à une pression relativement basse, vers un récipient récepteur représenté ici sous la forme d'un évaporateur d, auquel l'apport contrôlé d'énergie thermique est appliqué pour transformer la matière en gaz à une haute pression désirée.
Tandis que les récipients de transfert a et b sont disposés pour faire passer les charges de la matière transférée par chaque récipient successivement, ce qu'on appelle donc une disposition en série, il est envi- sagé également d'employer une disposition dans laquelle la matière passe dans un récipient de transfert mais une seule fois, la matière venant de c étant envoyée dans les récipients alternativement. Une semblable disposition est appelée une
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disposition en parallèle. Il est à envisager également d'em- ployer des récipients reliés en partie en série et en partie en parallèle, dans des systèmes employant trois ou plusieurs récipients.
Dans la disposition représentée à la fig. 2, une quan- tité déterminée de liquide comprenant une charge, est amenée à passer par un conduit d'admission 10 dans le récipient ini- tial a sous l'influence d'une force telle que celle obtenue par une pression agissant dans le système, la charge étant admise par l'ouverture de la soupape de contrôle 11. Pour admettre la charge, le gaz dans le récipient a est déplacé.
Ceci s'effectue par un orifice de sortie ou conduit de souf- flage 12 qui est commandé par une soupape 13. Lorsque ce conduit est ouvert, il permet au,gaz de s'échapper directe- ment dans l'atmosphère tandis que le liquide pénètre par le conduit 10. Pour admettre une quantité sensiblement uniforme de liquide à chaque charge, un dispositif de mesure est associé au récipient a de telle façon que l'écoulement est arrêté lorsqu'une quantité, désirée de liquide a pénétré.
'importe quel dispositif de mesure approprié peut être em- ployé à cet effet, par exemple une obturation actionnée par le niveau du liquide pour le conduit 12, qui ferme automa- tiquement ce dernier lorsque la quantité désirée est entrée.
Dans la disposition représentée, ceci est réalisé par le fait qu'on prolonge le conduit 12, oomme on l'a représenté en 12', dans le récipient.! de faqon que l'embouchure se trouve au niveau de liquide atteint lorsque la quantité dé- sirée a pénétré. L'écoulement de liquide du récipient est arrêté dès que le niveau déterminé, représenté par le liquide s'élevant dans le conduit 12', est atteint dans le réoipient a. La matière ainsi admise dans le récipient a se dilate lorsqu'elle est échauffée par la chaleur échan- gée avec la phase gazeuse.
En conséquence, le remplissage
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convenable du récipient a est déterminé par la nature du liquide transféré vu qu'il est désiré d'avoir dans le ré- cipient a un espace de gaz pour permettre à cette dilata- tion d'avoir lieu sans débordement du revêtement ou du pa- nier. Le soufflage du gaz résiduel du récipient a, ici envisagé, doit seulement réduire la pression du récipient a suffisamment en-dessous de celle du récipient pour réa- liser l'éooulement désiré.
Lorsqu+on désire transférer la matière du réoipient a au réoipient b, la soupape 14 dans la connexion 15 est ouverte pour permettre tout d'abord un écoulement de gaz qui peut être resté dans le récipient b comme un résidu d'une opération précédente, ce gaz s'éooulant dans la char- ge liquide du récipient a. Un échange de chaleur par con- tact direct se produit entre le gaz et le liquide de sorte qu'une partie du gaz est condensée tandis que la tempéra- ture du liquide est élevée et qu'on atteint finalement une condition d'équilibre de pression et de température qui est au-dessus des conditions initiales de la charge de li- quide et qui est en-dessous de la pression existant initia- lement dans le récipient b. Le liquide est ensuite évacué du récipient a vers le réoipient b en utilisant la force de la pesanteur.
Cet écoulement est facilité par 1'existence d'un conduit 16 de communication de gaz, commandé par une soupape 17 qui, lorsqu.'elle est ouverte, permet le dépla- cement de gaz du récipient b vers le récipient a par le li- quide qui s'éooule du réaipient a vers le réoipient b.
Le volume du récipient b peut ne pas être le même que ce- lui du récipient a; par exemple il peut être plus grand en vue de fournir un espace de gaz et de liquide dans ce- lui-ci qui permet dans un rapport désiré la dilatation du gaz et du liquide lorsqu'ils sont portés à une température moyenne supérieure à celle régnant dans le récipient a.
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On voit que l'énergie interne du gaz sous pression dans le récipient b,lorsque oelui-oi passe dans le liquide du ré- cipient a,est absorbée par le liquide de a à cause de la capacité de condensation de oelui-oi, avec une condensation résultante de la phase gazeuse en phase liquide. Il y a en conséquence une redistribution de l'énergie interne du sys- tème comprenant les récipients a et b, sans changement no- table dans l'énergie interne totale du système, vu que la chaleur d'origine extérieure est rigoureusement exclue et qu'aucun travail extérieur n'est effectué. Cette série de processus de fonctionnement 'peut par conséquent être appe- lée idéalement une égalisation adiabatique de pression, bien qu'en pratique il puisse y avoir quelques fuites de chaleur dans le système.
La charge liquide, maintenant dans le récipient b, est évacuée vers le récipient d'évaporation d qui est représen- té sous la forme d'un serpentin disposé dans une enveloppe 24 et exposée à un fluide de chauffage circulant dans l'en- veloppe. L'évacuation est produite par l'utilisation d'une force d'origine extérieure, telle que la pesanteur, lors- que la soupape 18 oommandant le conduit de sortie 19 abou- tissant dans l'évaporateur est ouverte et que les pressions de gaz sont égalisées par l'ouverture de la soupape 20 dans le conduit 21. Des forces de déplacement du liquide d'ori- gine extérieure, autres que la force de la pesanteur peu- vent également être utilisées comme cela résultera de la desoription des figs. 3 et 4.
Le liquide qui s'écoule dans l'évaporateur d est vapo- risé par la chaleur fournie à celui-ci, et la pression dans le système comprenant les récipients b et d s'élève à une valeur désirée relativement élevée. Une quantité désirée du gaz ainsi produit est envoyée dans des récipients d'em- magasinement et/ou des appareils de consommation qui sont
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accouplés au système en e, par écoulement dans le conduit 22 lorsque la soupape 23 est ouverte. La chaleur qui pro- duit la pression pour effectuer l'évacuation est fournie de façon réglable à l'évaporateur d et la majeure partie de cel- le-ci est contenue dans la matière évaouée par le conduit 22.
Toutefois une quantité considérable de chaleur sous la forme d'énergie interne reste dans le gaz laissé dans le ré- cipientb après l'évacuation. C'est cette énergie ainsi que la matière la contenant qui peut être renvoyée au liquide transféré dans n'importe quelle mesure désirée par l'appli- cation du principe de la cascade. Dans l'exemple de la fig.
2, une grande partie de cette énergie est retenue dans le système par condensation de gaz du récipent b dans une ohar- ge fraîche de liquide dans le récipient a.
L'évacuation réelle du système sortant en a est moindre en masse que la masse de la charge fournie du récipient d'a- limentation, de la masse du soufflage, et par conséquent l'évacuation nette représente la matière passant par le sys- tème de cascade dans la direction du récipient initial vers le récipient final tandis que le soufflage net ou la perte nette représente la matière nette passant en sens inverse.
Le principe de l'opération peut être plus faoilement compris en se reportant aux figs. 6 et 7 parmi lesquelles la fig. 6 montre schématiquement le transfert de chaleur et d'énergie interne qui a lieu dans le système entre les ré- cipients a et b, tandis que la fig. 7 montre 'd'une manière analogue l'écoulement de masse de matière par le système et la redistribution de gaz déplacé dans le système au cours du transfert entre les récipients, comme on le voit d'après la description détaillée de ces figures donnée ci-après.
Dans la représentation ici donnée, les volumes des ré- cipients a et b (appelés dans la suite va et vb) sont évi- demment constants. En vue de l'analyse on a supposé que ces
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condensations se produisent tellement rapidement et que les récipients sont tellement bien isolés qu'aucune chaleur ne pénètre dans la matière ni ne quitte la matière des récipients a et b pendant l'opération de oondensation. Alors pour le système oomprenant les récipients a et b la première loi de la thermodynamique donne : dQ = .dU + dW ..........(1 formule dans laquelle dQ désigne la ohaleur ajoutée au système de l'extérieur. dU désigne les changements d'énergie interne du système. dW désigne le travail effectué par le système vers l'extérieur.
On a évidemment dQ = 0 et comme le volume du système est constant, dW = 0, par conséquent dU = 0 ce qui signifie que le changement d'énergie interne du système avant et a- près la condensation est nul ou que l'énergie interne reste constante. L'énergie interne d'un gaz est une fonction de la température seulement pour un gaz parfait, mais est également une fonction de la pression pour des liquides et des gaz im- parfaits .
Si mf désigne la masse de liquide et de gaz dans le ré- oipient a mg désigne la masse du gaz dans le récipient b avant l'écoulement d'égalisation. uf désigne l'énergie interne par unité de masse dans le récipient a ug désigne l'énergie interne par unité de masse dans le réoipient b, on a : mfuf + mgug = Uk(une constante donnant l'énergie in- terne avant ou après le mélange) ... (2 mf + mg = mo (une constante) .......................(3
Comme le gaz ou la vapeur condensé dans le liquide est plus chaud et a une pression plus élevée que le liquide, de la chaleur est ajoutée au liquide par la condensation de gaz
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dans celui-ci. Par conséquent la pression, la température, la masse et le volume spécifique du liquide s'élèvent.
Il est théoriquement possible de prédire l'état final du liquide dans a et du gaz en b comme résultat de la condensation du se- cond dans le premier. A cet effet il est nécessaire de con- naître les conditions initiales telles que la masse, la pres- sion et la température du gaz et du liquide, le volume des ré- cipients et des propriétés thermodynamiques du liquide et du gaz, particulièrement l'énergie interne en fonotion de la pression et de la température ou du volume.
En général des diagrammes thermodynamiques pour diffé- rents liquides ont été préparés, qui donnent une quantité thermique ou des quantités thermiques en fonction de ce quton appelle les variables volumétriques p, t et v. Par exemple dans le diagramme température-entropie, on donne habituelle- ment des lignes de chaleur constante et de pression. Dans le diagramme pression-chaleur totale, des lignes de tempéra- ture constante et d'entropie constante sont données. Il est important de noter que les fonctions entropie et ohaleur tota- le sont uniques pour n'importe quel état d'une substanoe.
Par exemple à n'importe quelle pression et n'importe quelle température, un fluide donné possède une valeur et une seule pour l'entropie ou la chaleur totale.
L'énergie interne est également une fonction qui est dé- finie par l'état de la substance. Si une substance est modi- fiée par une opération d'un état dans un autre, le changement d'énergie interne, d'entropie ou de chaleur totale est indé- pendant du trajet et a une valeur définie. Dans la présente discussion la signification physique de ces quantités n'in- tervient pas. Yiathématiquement, elles sont des fonctions qui sont employées pour déterminer les conditions de pression et de température qui résultent dans une phase liquide lorsqu'u- ne phase gazeuse est condensée dans celle-ci dans les oondi-
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tions ici imposées. Il est à remarquer que l'énergie inter- ne est un concept fondamental tandis que la chaleur totale et l'entropie sont dérivées.
Pour un gaz parfait, le change- ment d'énergie interne est égal à la chaleur spécifique à vo- lume constant que multiplie le changement de température, tan- dis que le changement de chaleur totale est égal à la chaleur spécifique à pression constate que multiplie le changement de température. En d'autres termes, l'énergie interne est en re- lation avec Cv exactement comme la-chaleur totale est avec Cp.
Comme les opérations ici pratiquées impliquent des relations à volume constant la fonction d'énergie interne est fondamen- tale.
La réduction de perte par soufflage d'un récipient de transfert initial, par condensation dans la charge suivante de liquide, est un résultat avantageux réalisé par l'emploi du présent système de cascade- Ceci est essentiellement une opération thermique. Comme avec la plupart des opérations thermiques les possibilités physiques et les limitations du système sont déterminées d'après les bilans de chaleur et de matière. Ce bilan, pour le présent système de cascade, dif- fère de celui impliquant un écoulement constant lorsqu'une matière des mêmes caractéristiques peut se trouver en écoule- ment dans la même direction à n'importe quel moment, vu que les récipients dans le système de cascade sont successivement chargés et déchargés.
Le bilan thermique pour le présent système, suivant la première loi de la thermodynamique, d'a- près ce qui précède, donne l'énergie interne Uk du système comme constante pour l'opération d'égalisation vu qu'il n'y a pas de contact thermique ni mécanique avec l'extérieur.
Pour la matière se trouvant respectivement dans les réoi- pients a et b, lorsqu'on passe de l'état (1) à l'état (2),
EMI15.1
l'équation (2) devient Uk mP? + mui 1ùà%# + u ...(4 formule dans laquelle m est la masse de la matière dans le
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récipient a avant légalisation et u est l'énergie interne par unité de masse dans b après l'écoulement. Les autres termes utilisent les symboles d'une manière analogue.
Le bilan de matière, exposé dans l'équation (3) pour le changement d'état dans les deux récipients, aucune matière n'entrant de l'extérieur, devient de même
EMI16.1
mZ m = m2 2 m: ...............................(5 Par mla on entend la masse de matière dans a avant l'égali- sation. Ceci comprend le poids de matière dans les deux phases lorsque deux phases sont présentes. De même u1a est l'énergie interne moyenne par unité de masse de sorte que m1au1a renferme l'énergie interne des deux phases.
En calculant l'énergie disponible du liquide dans le système, par exemple celle d'oxygène liquide, on voit que la substance peut être évaporée et amenée à se oomprimer en gaz de pression relativement élevée, sans apport d'énergie autre que la chaleur de l'espace environnant; ceci est accompli par le présent procédé sans perte appréciable de matière.
En vue de déterminer l'énergie disponible, on a recours à la seconde loi de la thermodynamique en se rappelant que la chaleur totale est, par définition, pour n'importe quel système :
I = U + Apv .....................................(6 équation dans laquelle I désigne la ohaleur totale, U désigne l'énergie interne et Apv désigne le travail en fonction des unités de chaleur dé- terminées au moyen du volume v à travers lequel un piston se meut à une pression p, A étant la réciproque de l'équivalent mécanique de la chaleur.
En différenciant alors l'équation (6) on a dI = dU + Apdv + Avdp ...........................(7 mais par définition, d'après la première loi de la thermo- dynamique, comme on l'a indiqué oi-dessus, on a
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dQ = dU + Apdv ou dI - AvDp.
Par la seconde loi de la thermodynamique et pour un processus réversible, cette dernière expression est égale à la température (T) multipliée par le changement d'entropie (dS). Par substitution on a TdS - dI - Avdp, et de là
Avdp = dI - TdS ....................................(8 On voit que la quantité Avdp est positive pour une pression croissante.
L'hypothèse de processus strictement réversible suivant la seconde loi de la thermodynamique exige que les échanges de chaleur ici envisagés soient également réversibles. En vue d'obtenir la réversibilité finale, on suppose que tous les échanges de chaleur se font ici sous des différences de température infinitésimales, à la température du local 70 (prise ici à 20 C ou 293 K). Cette température pour l'échan- ge de chaleur est possible en supposant des compressions ou des dilatations adiabatiques réversibles comme nécessaires pour atteindre To. Avec cette limitation, le dernier terme de l'équation (8) devient To dS.
En intégrant les deux côtés on a
EMI17.1
c/ r $àvdp=I 1 2 .z -i (S -S ) ...................(9 1 dans laquelle on voit que J kvdp est le travail d'un compresseur idéal réversible ou c/ 1 d'un moteur à détente fonctionnant sur un écoulement continu et alimenté au moyen d'un fluide entrant à ltétat (1) et sor- tant à l'état (2). Les valeurs négatives pour l'intégrale montrent la quantité de travail qui peut être obtenue du fluide en passant d'un état à un autre. Ceci est l'énergie disponible qui est appelée ici Q.
Par conséquent
A
EMI17.2
<L ' 1 - Il - 0 (Sa -al) ........................(10 L'énergie disponible d'une livre d'oxygène liquide à la pres-
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sion atmosphérique, oomparée à une livre de gaz à la pression atmosphérique et à 20 C peut être trouvée dans des tables actuellement publiées. Inéquation (10), en fonction des uni- tés thermiques britaniques, devient alors :
QA = 173 - 0 - 293 (1.48 - 0)
EMI18.1
m a61 B.T.ü./livre
De même l'énergie disponible d'une livre d'oxygène ga- zeux à. 2000 psi et 20 C par exemple est trouvée valoir - 160,3 B.T.U./livre.
Cette valeur est moindre que l'énergie disponible dans une livre de liquide et par conséquent il en résulte qu'un appareil réversible sans frottement pourrait u- tiliser l'énergie disponible dans le liquide pour produire
EMI18.2
AOOO psi de gaz à 2000 et en même temps débiter ltexcès dfd- nergie disponible sous la forme de travail. Dans tout appa- reil en pratique, certaines pertes sont inévitables.
Le tait que la valeur pour l'énergie disponible de-2000 psi d'oxygène gazeux est moindre que oelle du liquide montre qu'un appareil peut être établi dans lequel une énergie disponible de l'oxy- gène liquide est largement utilisée pour produire de l'oxygè- ne gazeux à haute pression sans faire de travail extérieur ni subir une perte importante de matière et néoessite seulement l'addition ou l'enlèvement de chaleur de l'atmosphère envi- ronnante. Différentes dispositions avantageuses d'appareils qui réalisent l'enlèvement et l'utilisation de cette chaleur sont données ci-après.
Le transfert d'énergie du récipient b au récipient a, donné ci-dessus à l'équation (4), est représenté graphiquement en un diagramme explicatif d'écoulement suivant 1& fig. 6.
Dans ce cas l'énergie se trouvant initialement dans la matiè- re dans le récipient A est arbitrairement prise sensiblement égale à zéro et est représentée par la ligne verticale F tra- cée de haut en bas à la partie supérieure de gauche et en- trant dans le système qui est représenté par le rectangle
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d'enveloppement; le mouvement du liquide est supposé se faire de haut en bas tandis que le mouvement du gaz est représenté de bas en haut. La quantité de ohaleur ou l'énergie interne transportée est représentée par la largeur des courants. Le oourant f de liquide reçoit d'abord un accroissement important d'énergie du gaz transféré du récipient b, comme le montre le courant ± arrivant par la droite.
L'introduotion de chaleur non réglée due aux fuites de chaleur, etc., est représentée par le courant h entrant dans le système par la gauche et re- joignant le courant de haut en bas. L'introduction réglée des ohaleurs est représentée par le grand courant k entrant par la gauche. A la partie inférieure, le départ du courant 1, représentant l'énergie interne de la sortie est représenté et il emporte la majeure partie de l'énergie thermique qui est entrée dans le système. Branché sur le courant de haut en bas, vers la droite dans le système, on a représenté un courant m qui représente l'énergie interne du gaz restant dans le récipient final b après l'évacuation du liquide et qui s'écoule de bas en haut lorsqu'il est transféré vers le réci- pient a.
La plus grande partie de l'énergie interne du cou- rant de bas en haut est transférée vers la gauche pour former le courant ± qui rejoint le courant de liquide f, tandis que le reste stéohappe du système avec le soufflage, comme le montre le courant n sortant à l'extrémité supérieure de droi- te.
Un équilibre néoessite que la somme de toute l'énergie thermique entrant dans le système soit égale à la somme de toute l'énergie thermique quittant le système. C'est à dire qu'on a : h + k = 1 + n - f ................................(11
Le diagramme de la fig. 7 montre d'une manière analogue le bilan de la masse de l'équation (5) et l'écoulement des matières dans un système à cascade à deux étages, l'écoule- ment du liquide se faisant de haut en bas et l'écoulement de
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gaz de bas en haut comme précédemment, tandis que la largeur du courant indique la quantité en poids. Le courant de liqui- de entre à la partie supérieure de gauche, la largeur indi- quant le poids d'une charge.
Le soufflage est représenté par le courant quittant à la partie supérieure de droite,ayant une largeur g indiquant le poids de gaz soufflé par charge.
Le poids de l'évacuation est représenté par la largeur r du courant quittant à la partie inférieure. On voit que la re- lation entre ces quantités est donnée par l'équation suivante :
EMI20.1
p 8: q + r ..................... 8- ........................................... (12
Cette équation établit simplement que la charge est égale à l'évacuation nette plus le soufflage net. Dans le système le courant de gaz s'élevant représente le gaz transfé- ré vers le récipient a en venant du récipient b, la partie qui s'éooule vers la gauche pour rejoindre le courant liquide étant la partie condensée, tandis que le restant sort à la partie supérieure de droite comme soufflage.
On a représenté à la fig. 1 une application industrielle utilisant une disposition de récipient de transfert appliquant le présent procédé, en vue d'effectuer un transfert d'oxygène liquide vers un appareil consommateur industriel. 25 repré- sente ici le châssis d'un véhicule automobile qui transporte un récipient d'alimentation contenant un approvisionnement d'oxygène liquide à une pression relativement basse, qui doit être débité comme gaz à un consommateur sous une pression re- lativement élevée. Le récipient c est supporté dans une enve- loppe isolante 26 qui protège le liquide de l'apport de cha- leur non désiré de l'atmosphère.
A proximité du réoipient o est disposée une enveloppe 27 qui contient un système en cas- cade de récipients disposés pour effectuer le transfert d'oxy- gène liquide du récipient a vers un évaporateur à haute pres- sion, indiqué comme existant sur le camion dans une envelop- pe 28 et présentant une connexion d'évacuation ou de sortie
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e pour servir un client. L'enveloppe 27 est faite sensible- ment étanohe à l'air de sorte que les appareils placés dans celle-ci peuvent être protégés de l'influence de la chaleur de l'atmosphère par l'élimination de l'air de l'enveloppe ou par le remplissage de l'espace non occupé par les appa- reils au moyen de matière calorifuge.
Le système de réai- pient à l'intérieur de l'enveloppe 27 peut être n'importe quel système de cascade suivant la présente invention, par exemple celui représenté aux figs. 2, 3, 4 ou 5., Plus par- ticulièrement, celui représenté comme monté sur le camion à la fig. 1 est celui de la fig. 5. La connexion pour le chargement du liquide est représenté en 10 à la fig. 1; elle va du fond du récipient d'approvisionnement c, compor- te un dispositif de mesure du liquide indiqué en 10' et pas- se dans le sommet d'un récipient initial désigné par 73 en vue de fournir des charges mesurées d'oxygène liquide sous une pression relativement faible au système.
Le transfert d'oxygène liquide du récipient au ser- pentin d est réalisé par le fait qu'on provoque d'abord un écoulement de liquide par la communication 10 dans le réci- pient de transfert initial, qui fonctionne au niveau de pression le plus bas dans le système. Cet écoulement peut se faire sous l'influence d'une pression accumulée dans le récipient c, qui est relativement basse, par exemple cinq livres par pouoe carré, mais dépassant celle qui règne dans le réoipient de transfert initial. La formation de cette pression dans le récipient d'approvisionnement peut être ré- alisée de n'importe quelle manière appropriée, par exemple au moyen d'un serpentin auxiliaire d'évaporation tel que 29 disposé comme on l'a exposé dans le brevet Heylandt republié sous le n 1887 6 du 20 juin 1933.
Le transfert de liquide du récipient d'approvisionnement ± dans le serpentin d peut être fait par n'importe lequel des systèmes de cascade ex-
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posés ci-après à propos de la description des figs. 2, 3, 4 et 5 ; laconnexion 10 pour fournir le liquide aux différen- tes séries d'appareils représentés étant celle représentée dans chacune de ces figures. Un système de cascade ainsi disposé sur un camion automobile et utilisé pour débiter des quantités désirées de matière regazéifiée vers des dispositifs consommateurs en différents endroits, présente des pertes de fonotionnement nettes très basses, en débitant du gaz aux pressions désirées.
On a représenté à la fig. 3 une série de récipients de pression de transfert 31, Sa et 33 reliés chacun à une conduite générale commune 10 de chargement de la phase li- quide par laquelle du liquide est fourni à chacun des ré- cipients 31, 32 et 33. Ces trois récipients sont également reliés pour être ouverts par une conduite générale au moyen du conduit d'échappement 30. Un conduit d'extraction com- mun 34 est prévu communiquant avec chacun des récipients pour l'évacuation de celui-ci, ce conduit aboutissant aux serpentins 35 d'un évaporateur à haute pression. Dans cette disposition, les récipients de transfert sont dits ci-après reliés en parallèle. Bien qu'on n'ait représenté que trois récipients, il est évident qu'on peut en employer quatre ou un plus grand nombre.
En vue d'égaliser les pressions et les températures dans les récipients avant d'évacuer le liquide, un conduit 35 va des serpentins 35 et se relie par une conduite géné- rale 36a oommune aux espaces de gaz de chacun des réci- pients 31, 32 et 33, cette connexion étant représentée comme produite par les conduits de branchement 36', 36", 36"'. Dans le conduit 36 on a interposé un moyen d'aider mécaniquement l'écoulement de fluide dans celui-ci, qui est ici représenté sous la forme d'un ventilateur centri- fuge 37 ayant son admission en 38 et sa sortie en 39 et
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actionne par un moteur électrique 40.
Le ventilateur 37 orée, lorsqu'il est aotionné, une différence de pression en- tre les serpentins 35 et le récipient qui est en décharge, suffisamment pour accélérer l'écoulement de liquide et o- bliger celui-oi à être soulevé contre une hauteur de charge relativement basse. Les serpentins 35 peuvent par conséquent être disposés à n'importe quelle hauteur désirée au-dessus de la partie la plus basse des récipients de transfert. Un moyen de connexion des récipients entre eux est également prévu pour introduire du gaz d'un récipient à travers le liquide d'un autre.
Ce moyen comprend ici un conduit indé- pendant 41 relié, au moyen du conduit de branchement 41', à l'extrémité inférieure du récipient SI, au moyen du con- duit de branchement 41" à l'extrémité inférieure du réoi- pient 32, et au moyen du conduit de branchement 41"' à l'ex- trémité inférieure du récipient 33. Les connexions vers chacun des récipients sont de préférence commandées par des soupapes. En conséquence, la communication de la liaison la avec le récipient 31 est représentée comme commandée par la soupape 42', tandis qu'une soupape 43' commande la con- nexion avec le conduit d'ouverture 30. Une soupape 44' commande la sortie vers le conduit d'enlèvement 34, tandis qutune soupape 45' commande le branchement 36' vers le con- duit 36.
Une soupape 46t commande le branchement 41' a- boutissant au conduit 41 et des soupapes semblables sont associées aux récipients 32 et 33. Une soupape 47 est éga- lement représentée, commandant la sortie du serpentin, d'é- vaporation.
En fonctionnement, le cycle des opérations peut être supposé commencer lorsque les soupapes sont fermées, les ré- cipients vides de liquide mais contenant du gaz et les ser- pentins de vaporisation remplis de gaz à une pression rela- tivement élevée. Pour faire démarrer le système, les réai- pients sont remplis successivement de charges de liquide
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extraites du conduit 10 par l'ouverture des soupapes corres- pondantes commandant la conduite générale; par exemple le ré- aipient 31 est rempli d'une charge désirée par l'ouverture des soupapes 42' et 43'.
La pression d'un récipient 31 est d'abord égalisée avec celle d'un récipient adjacent qui est plein de gaz, par exemple avec un récipient 32, par l'ouver- ture des soupapes 46' et 46", ce qui a pour résultat une pres- sion dans les récipients 31 et 32 qui est intermédiaire entre celle régnant initialement dans le récipient 31 et celle dans le récipient 32, et une condensation d'une partie du gaz du récipient 32 dans le liquide du récipient 1. Lorsque ce premier étage d'égalisation est accompli, un second est effec- tué à une pression un peu plus élevée avec un autre récipient, dans le cas présent avec le récipient 33, par 1' ouverture de la soupape 46"' après que la soupape 46" a été fermée. Lors- que ces égalisations intermédiaires sont achevées, une éga- lisation finale avec le serpentin 35 est effectuée par l'ou- verture de la soupape 43'.
Ensuite, la soupape 44' est ouver- te et le ventilateur 37 est mis en marche ce qui crée une dif- férence de pression qui a pour résultat d'accélérer l'écou- lement de liquide du récipient de transfert dans l'évapora - teur. Lorsque tout le liquide est évacué le récipient 31 est rempli de gaz ayant une pression égale ou un peu supé- rieure à celle de l'évaporateur.
La pratique consistant à effectuer ainsi l'égalisation en plusieurs étages avant celle finalement atteinte avant 1 'é- vaouation produit une plus grande quantité de condensat à partir de la phase gazeuse qu'on ne pourrait en obtenir au- trement, vu que dans chaque étage des égalisations intermé- diaires, une succession de pressions est appliquée dont cha- aune rend disponible une nouvelle capacité de condensation du liquide, car chaque pression plus élevée appliquée au
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liquide élève le point d'ébullition et utilise d'avantage la capacité de condensation, ce qui utilise l'énergie disponible du liquide d'une manière très efficace.
Pendant que le récipient 31 se déoharge, le récipient 32 sera en remplissage, de sorte qu'à l'achèvement de l'évaoua- tion, il peut être égalisé d'abord avec le récipient 33 et ensuite avec le récipient 31. On voit donc que l'enlèvement de la phase gazeuse de chaque réoipient a lieu à plusieurs pressions de telle façon qu'il reste une pression relativement basse dans un récipient lorsqu'il est finalement soufflé pour l'admission d'une nouvelle charge.
La fig. 4 montre une disposition de récipients de pres- sion de transfert en partie en série et en partie en parallè- le, disposition au moyen de laquelle une décharge relativement rapide peut être effectuée et un fonctionnement relativement continu de l'évaporateur peut être maintenu. Sur cette figu- re, 48 désigne un récipient de pression pourvu d'un revête- ment, disposé au-dessus d'un second récipient de pression à revêtement 49 et destiné à débiter du liquide dans celui-ci; il y a, en outre, deux récipients 50 et 51 communiquant avec une conduite générale 52 de transfert du liquide partant du récipient 49. La mince enveloppe de métal ou le panier 48' du récipient 48 retarde sensiblement l'écoulement de la cha- leur des parois épaisses du récipient de pression dans la charge liquide placée dans oelui-oi.
Des trous de départ dans la partie supérieure des paniers procurent l'égalisation de pression avec l'espace compris entre le panier et les pa- rois du récipient de pression. Cet espace peut être maintenu par le fait qu'on supporte le panier au moyen de lames de matière à faible conductibilité thermique, ce qui favorise l'effet désiré d'isolement thermique et permet au transfert de s'effectuer dans des conditions se rapprochant des oondi- tions adiabatiques idéales désirées.
Ces récipients oommu-
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niquent également à leur extrémité inférieure avec une con duite générale commune 53 d'évacuation du liquide qui condt à l'évaporateur 54. Un. moyen de connexion de gaz 55 entre l'évaporateur et les récipients 50 et 51 a des branchements 55' et 55" se reliant respectivement à l'espace de gaz des récipients 50 et 51. Un conduit d'égalisation 56 fait sail lie dans le récipient 49, atteint presque le sommet de ce- lui-ci et possède des branchements 56' et 56" communiquant respectivement avec l'espace de gaz des récipients 50 et 51.
Un. conduit analogue 57 est disposé de façon à aller de l'es- pace de gaz du récipient 49 jusque dans la partie supérieure du récipient 48. 'Un conduit de départ 58 va de la partie supérieure du récipient 48 et est commandé par une soupape 59. Une soupape 60 est disposée dans le conduit 10 pour com- mander l'entrée. Une soupape 61 commande la connexion par laquelle le récipient 48 débite du liquide dans le récipient 49, une soupape 62 commandant la communication 67. Des sou- papes 63' et 63" commandent les entrées respectivement vers les récipients 50 et 51 dans la conduite générale de décharge de liquide 52. De même, des soupapes 64' et 64" commandent les branchements de sortie vers le conduit d'enlèvement 53.
Des soupapes 65' et 65" commandent respectivement la commu- nication des branchements 55' et 55" avec le conduit 55.
Des soupapes 66' et 66" commandent d'une manière analogue les branchements descendants 56' et 56" du conduit 56 qui entrent dans les récipients 50 et 51 respectivement.
En vue de condenser le gaz du réoipient 49 dans le li- quide contenu dans le récipient 48, un conduit 67 commandé par une soupape 68 est disposé de façon à aller de l'espace de gaz du récipient 49 dans la partie inférieure de l'espace de liquide du récipient 48, où il est pourvu d'un moyen ap- proprié pour répartir le gaz dans le liquide, par exemple un distributeur 67' comportant un certain nombre de petites ouvertures.
Ce moyen produit la condensation rapide et
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étendue du gaz passant d'un réoipient à l'autre; des moyens analogues sont prévus pour effectuer une égalisation en croix entre les récipients 50 et 51, sous la forme d'un dis- tributeur relié à un conduit 69 comportant une soupape de commande 70. Ce conduit relie entre elles les parties inférieures des espaces de liquide des deux récipients lorsque la soupape 70 est ouverte.
Le débit du liquide par le conduit 55 dans l'évapora - teur 54 est aooéléré et est effectué contre une hauteur de pression provoquée par la disposition de l'évaporateur, au moyen d'une pompe rotative 71 ayant son admission reliée au conduit 53 et son échappement communiquant avec l'évapo- rateur. La pompe est aotionnée mécaniquement par n'importe quel moyen désiré, qui est représenté aux dessins sous la forme d'un moteur éleotrique 72.
En fonotionnement, le cycle d'opérations qui a lieu nor- malement peut être supposé commencer lorsque les serpentins 54 sont pleins de gaz à haute pression et les soupapes sont fermées. Le réoipient 48 est rempli par l'ouverture des sou- papes 59 et 60 pour admettre une quantité de liquide déter- minée, un espace de gaz désiré étant oonservé au sommet du récipient 48 pour éviter un débordement du panier 48' et per- mettre la détente subséquente. Lorsque le remplissage est effectué, les soupapes sont de nouveau fermées et les pres- sions dans les récipients 48 et 49 sont alors égalisées.
Ceci est réalisé par l'ouverture de la soupape 68 de façon que le gaz dans le récipient 49, qui est à une pression plus élevée, barbotte à travers le liquide du récipient 48 avec condensation d'une partie importante de ce gaz. Lorsque l'égalisation est sensiblement aohevée, le liquide dans le récipient 48 peut être rapidement envoyé dans le récipient 49 par l'ouverture des soupapes 61 et 62, après quoi les soupapes 61, 62 et 68 sont fermées. Le liquide peut alors
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être transféré du récipient 49 vers le récipient 50 par l'ouverture de la soupape 63'.
Ceci est réalisé en permet- tant au gaz à une pression élevée de s'écouler d'abord du récipient 50 et de barbotter à travers le liquide dans le récipient 49 par le conduit 52 jusqu'à ce qu'il en résulte une égalisation sensible, après quoi la soupape 66' est ou- verte pour compléter rapidement le transfert de liquide vers le récipient 50. Lorsque le récipient 50 est rempli, les soupapes 63' et 66' sont fermées et la soupape 70 est ou- verte de sorte qu'il y a un étage d'égalisation en croix des récipients 50 et 51 avant que le remplissage de ce der- nier ait lieu, une partie du gaz qui restait dans le réai- pient 51 d'une opération préoédente s'écoulant par le conduit 69 dans le liquide du réoipient 50 pour être partiellement condensé par celui-ci.
Après fermeture de la soupape 70, le récipient 50 est vidé dans les serpentins 54 par l'ou- verture des soupapes 64' et 65' et mise en marche de la pom- pe 71: qui applique une force méoanique suffisante pour obli- ger la matière à s'écouler oontre la hauteur de charge due à l'élévation de l'évaporateur. La soupape 23' est ouverte lorsque la décharge vers l'appareil récepteur se produit.
Suivant le degré d'apport de ohaleur, le récipient 50 est habituellement déchargé relativement lentement vers l'évaporateur de sorte que le récipient 48 ne peut pas seu- lement être rechargé pour le commencement d'un nouveau cy- ole, mais la charge peut être transférée au réoipient 49 par la répétition des opérations décrites ci-dessus. Lors de l'achèvement du rechargement du récipient 49, tandis que le récipient 50 est toujours en décharge, le récipient 51 peut être rempli. En conséquence la soupape 63" est ou- verte pour réaliser la condensation de gaz et une égalisa- tion notable de pressions, après quoi la soupape 66" est ouverte et le transfert est achevé.
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A ce moment, le récipient 50 est.vide de liquide mais rempli de gaz à une pression relativement élevée. L'éga- lisation en croix est alors effectuée par ouverture de la soupape 70, l'écoulement se faisant du récipient 50 dans le récipient 51. Lorsque la soupape 70 est de nouveau fermée, le récipient 51 est alors déchargé vers les serpentins 54 par l'ouverture de la soupape 64" et de la soupape 65" et aotionnement de la pompe 71, le cycle étant continué par le rechargement et le déchargement alternés des récipients 50 et 51 et de ceux combinés à ceux-ci, comme on lta décrit oi-dessus. On obtient de cette manière un fonctionnement sensiblement continu du dispositif évaporateur.
A la fig. 5 on a prévu une installation comportant des récipients désignés par 73', 73", 74', 74" et 75, respecti- vement, disposés en partie en série et en partie en paral- lèle. Le récipient 75 est ici construit pour avoir une na- ture différente des réoipients mentionnés en premier lieu pour qu'une certaine quantité de chaleur puisse être four- nie au contenu de celui-oi, dans certaines conditions, pen- dant la décharge vers l'évaporateur, comme cela est indiqué plus en détail dans la suite. Dans la disposition repré- sentée, les récipients 73' et 73" sont reliés en parallèle par une conduite générale commune pour recevoir des charges de liquide du conduit 10.
Le réoipient 73' est disposé de façon à décharger le liquide sous l'effet de la pesanteur dans le récipient 74' qui à son tour est établi pour dé- charger le liquide dans le récipient 75. D'une manière parallèle, le récipient 73" est établi pour se décharger dans le réoipient 74t' qui à son tour se décharge dans le ré- oipient 75. Le récipient 75 est ainsi un récipient commun interposé entre un serpentin de chauffage 76 de 1'évapora- teur d et les deux groupes de récipients en série 73', 74' et 73"-74". Les récipients 73' et 73" sont vidés par
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soufflage au moyen d'une conduite générale commune 77.
L'évaporateur d se décharge par un conduit 78 conduisant à la sortie e. Les connexions 80' et 80" conduisent l'évacua- tion respectivement des récipients 73' et 73' dans les ré- cipients 74' et 74". De même des connexions 81' et 81" déchargent des récipients 74' et 74" dans la partie supé- rieure du récipient 75. Le conduit d'enlèvement 82 va. de la partie inférieure du récipient 75 au serpentin 76.
Une connexion d'égalisation 83 part d'un point intermédiai- re dans le serpentin 76 et a des branchements 84 et 85 allant respectivement vers des conduites générales communi- quant avec les récipients 73'-74' et avec les récipients 73"-74". Des conduits de communication sont également pré- vus pour l'égalisation en croix des pressions entre des ré- cipients correspondants des deux o8tés des connexions en parallèle. Ces connexions en croix sont représentées en 86 et en 87, la connexion en 86 reliant les parties inférieures des récipients 73' et 73" tandis que la connexion 87 relie les parties inférieures des récipients 74' et 74".
Dans cette disposition, une soupape de retenue 88 est de préfé- rence introduite dans le conduit 78 pour assurer un écoule- ment dans une direotion dans le conduit vers la sortie e.
Une connexion 89 est également prévue allant d'un point dans le conduit 78 au-delà de la soupape 88 vers la partie supérieure du récipient 75, une soupape 90 étant disposée pour commander cette dernière connexion. Une dérivation est également prévue de préférence entre les conduits 83 et 89, oomme on l'a représenté en 101, et est commandée par la soupape 102. Les soupapes 91' et 92' commandent respec- tivement les connexions d'entrée de liquide et de départ du récipient 73'. Une soupape 93' commande la connexion 80' et une soupape 94' commande la connexion 81'.
Une soupape 95 commande la connexion 82 vers le serpentin de vaporisa-
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tion 76. La soupape 96' commande la communication entre les parties supérieures des récipients 73' et 74' tandis que la soupape 97' commande la connexion du récipient 74' avec le conduit 64. La connexion 86 d'égalisation en croix est oom- mandée par la soupape 98, tandis que la connexion 87 d'égali- sation en croix est commandée de même par une soupape 99.
Les soupapes 91" et 92" sont semblables aux soupapes 91' et 92' et commandent les connexions d'admission et de départ des récipients 73", des soupapes 93", 94", 96" et 97" étant dis- posées de façon analogue par rapport aux réoipients 73" et 74" et remplissant les mêmes fonctions que les soupapes 93', 94', 96' et 97' respectivement.
En fonotionnement, le cycle des opérations qui se pro- duit normalement sera supposé commencer lorsque les récipients initiaux sont vides et que l'évaporateur d et le récipient 76 sont pleins de gaz à une pression relativement élevée.
Avant le remplissage, le système est d'abord purgé d'air par l'ouverture des soupapes 96' et 97' et 96" et 97", les soupa- pes 96' et 96" étant fermées avant que la pression se soit égalisée dans les serpentins 76 et les récipients 73', 74', 73" et 74". Lorsque le système est ainsi prêt, du liquide est introduit dans le récipient 73' par l'ouverture des sou- papes 91' et 92'. On a évacué par soufflage tout le gaz con- tenu dans le réoipient 73" au moyen du conduit 77, la soupape 98 est d'abord ouverte de façon à permettre la sortie d'un peu de gaz par la connexion 86 du réoipient 73" dans le réci- pient 73', pour être condensé dans le liquide de celui-ci.
En ouvrant la soupape 93' graduellement, le gaz dans le réci- pient 74' s'élève à travers le liquide dans le récipient 73', une partie se condensant jusqu'à ce que les pressions s'éga- lisent, après quoi le liquide est envoyé directement du réci- pient 75' dans le récipient 74 ', l'écoulement étant produit par l'ouverture de la soupape 96'. Ce passage de liquide a
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lieu de préférence pendant que le récipient 73" est en rem- plissage. Par conséquent, dès que la soupape 98 est fermée, les soupapes 91" et 92" sont ouvertes.
Lorsque le récipient 74' est rempli, et avant que le rem- plissage du récipient 74" commence, une égalisation en croix est effectuée entre ces derniers récipients par la fermeture des soupapes 93' et 96' et l'ouverture de la soupape 99 dans la connexion 87. Lorsque cette égalisation est achevée et que la soupape 99 est fermée, les soupapes 94', 97' et 102 peuvent être ouvertes et un échange de gaz et de liquide a lieu entre les récipients 74' et 75, le gaz déplacé s'éoou- lant vers le haut par les conduits 101, 83 et 84. Dans cette disposition, le remplissage du récipient 74' à partir du ré- cipient 73' et celui du récipient 73" à partir de la connexion 10 ont lieu sensiblement simultanément.
L'ouverture de la soupape 94' est en conséquence accompagnée de l'ouverture des soupapes 91' et 92' pour remplir à nouveau le récipient 73' et y faire le soufflage tandis que le récipient 74" est en même temps rempli à partir du réoipient 73" par l'ouverture de la soupape 93" d'abord et finalement de la soupape 96".
Le récipient 75 est évidemment rempli à partir du réai- pient 74' lors de l'achèvement de l'opération de remplissage ci-dessus indiquée et après que l'égalisation en croix de la pression dans les récipients 74' et 74" a été effectuée par l'ouverture de la soupape 99. Le récipient 75 est en- suite déchargé vers le serpentin 76 par l'ouverture des soupapes 95 et 102. Lorsque la charge du récipient 75 a été complètement déchargée, les soupapes 95 et 102 sont de nouveau fermées et le récipient est reohargé à partir du ré- cipient 74" pour être prêt en vue d'un autre déchargement vers l'évaporateur.
On voit d'après la disposition représentée que l'ad- mission du liquide dans les récipients se fait toujours en
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des ooins diagonalement opposés du quadrilatère formé par les quatre récipients 73', 74', 73" et 74". On voit égale- ment que l'égalisation en croix effectuée par ltouverture des connexions 86 et 87 produit une oondensation de gaz en- voyé à travers le liquide, outre celle effectuée avant l'é- change de liquide et de gaz, c'est à dire que dans la dispo- sition série-parallèle représentée, il y a quatre opérations de oondensation séparées dans le transfert d'une charge liqui- de des récipients 73' à 75 ou des récipients 73' à 75, le passage du gaz étant en contre-courant par rapport aux ac- croissements de pression sur le liquide.
Le réoipient 75 à parois épaisses remplit une fonction supplémentaire lorsque la charge qu'il contient doit être évacuée à la pression critique ou au-dessus de la pression critique. Lorsque le serpentin de chauffage 76 fournit du gaz à une pression notablement au-dessus de la pression cri- tique, par exemple de l'oxygène à 2100 livres par pouce carré, la matière dans le réoipient 75 passe par la tempé- rature critique avant qu'elle soit complètement déchargée par la soupape 95. Lorsque la température critique est atteinte, l'écoulement sous l'influence de la pesanteur de- vient très diffioile vu qu'il n'y a plus de séparation net- te des phases.
Il est désirable de forcer cette matière ga- zeuse hors du récipient 75 en l'obligeant à se détendre par suite d'un accroissement de sa température, laquelle déten- te peut être effectuée par le fait qu'on ajoute avantageu- sement de la chaleur à la matière dans le récipient 75, par exemple par l'applioation d'un fluide de chauffage tel que de la vapeur en relation d'échange de ohaleur avec les parois du récipient 75, au moyen d'un conduit 100 disposé en rela- tion de conductibilité thermique avec la paroi du récipient 75. Ceci oblige la matière gazeuse dans le récipient 75 à s'échauffer avec, en conséquence, une détente qui refoule
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la matière rapidement hors du récipient.
L'écoulement nor- mal par la soupape 95 continue vers le serpentin d'évapora- tion qui remplit la fonction d'appareil de chauffage pour élever la température du gaz et le surchauffer. La soupape de retenue en 88 est, comme on le voit, un moyen approprié pour empêcher le reflux de la ligne dans l'évaporateur d a- près que l'égalisation initiale de pression avec celle ré- gnant dans le récipient 75 a lieu. La connexion de gaz 89 sert à amener du gaz directement de la ligne vers le réci- pient 75 lorsqu'on désire retirer du liquide pour alimenter le serpentin de vaporation immédiatement, sans attendre que la pression s'élève jusqu'à la pression de ligie par apport de chaleur.
On voit donc que la disposition de la fig. 5 prooure un appareil pour effectuer la conservation de gaz déplacés, à un degré élevé, par la limitation du soufflage à une valeur relativement basse, tout en fournissant en même temps du gaz liquéfié vaporisé à des consommateurs industriels, sous des pressions au-delà de la pression critique, le servioe étant effectué en des périodes de temps relativement courtes.
Lorsque les séries de récipients sont établies au moyen d'unités suffisamment petites, la disposition est facilement capable d'être montée et logée sur un camion, comme le mon- tre la fig. l, pour desservir des consommateurs industriels, qui peuvent être à des distances relativement grandes d'une installation oentrale de produotion.
Le système de cascade suivant la présente invention est également employé dans des installations fixes, par exemple pour desservir des dispositifs consommateurs renfer- mant une tuyauterie reliant plusieurs usagers à une matière gazeuse sous une pression désirée à partir d'un récipient d' emmagasinement à basse pression contenant le gaz liquéfié, et pour remplir des réoipients à l'installation de produe-
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tion de gaz liquéfié, auquel cas le gaz liquéfié peut être reçu directement de l'appareil de production et le gaz éva- oué du récipient initial peut être renvoyé à l'appareil de production pour être reliquéfié.
Dans les cas où la source d'alimentation de liquide est située au-dessus du récipient de transfert initial, on envisa- ge que le gaz évacué du récipient initial au commencement d'un cycle peut être conduit dans le récipient d'approvi- sionnement pour faciliter l'écoulement du liquide.
Bien que le dispositif qui a été représenté aux diffé- rentes vues comme recevant la matière gazeuse de récipients de transfert fonotionnant suivant le principe de la cascade, ait été décrit comme un évaporateur comprenant des serpen- tins de ohauffage, il va de soi que le dispositif récepteur peut avoir de nombreuses autres formes ; exemple il peut comprendre un ou plusieurs récipients contenant du liquide, ou des cylindres d'emmagasinement de gaz ou des récipients de chauffage du gaz.
Comma on peut apporter certains changements dans la mise en pratique du procédé ci-dessus et dans les constructions exposées qui renferment l'invention, sans s'écarter de l'es- sence de l'invention, il doit être bien entendu que tout ce qui est exposé dans la description qui précède ou est repré- senté aux dessins annexés doit être interprété comme étant donné dans un sens explicatif et non un sens limitatif.
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Cascade system and its method of operation.
The present invention relates to a method and apparatus for transferring a volatile liquid, which has been produced at some expense and which releases a gas phase during transfer, from a region of relatively low pressure to a region. relatively high pressure with relatively small evaporative loss of the material.
More specifically, the invention relates to a system of containers and to a mode of operation whereby loads of precious liquid material, that is to say of a material highly volatile at normal atmospheric pressure, for example a liquefied gas. such as certain liquefied hydrocarbons, liquid oxygen, liquid nitrogen, etc., are economically and rapidly transferred from a relatively low pressure supply vessel to a relatively high pressure receiving vessel in a manner. which causes significant recondensation of the gas phase
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in liquid in the transfer apparatus, so as to increase the net quantity of liquid transferred.
The object of the invention is generally to provide an improved system and arrangement of receptacles as well as a method of operation for transferring successive loads of relatively cold liquid materials or of the nature indicated, from a supply vessel, at a relatively low pressure, into a final vessel at a relatively high pressure, in a manner which keeps the condensing capacity of the liquid high and uses it to reconvert the major part part of the gas phase into liquid, which reduces, to an industrially important extent, the losses produced when the gas phase is allowed to escape.
More specifically, the object of the invention is to provide a system of transfer containers as well as an operating cycle for them with a view to effecting the transfer of a volatile liquid, in a succession of uniform charges, from a supply vessel to a receiving vessel through a number of stages of increasing pressure as the gas phase is passed in countercurrent;
the transfer is effected in a manner which provides the condensing capacity in a series of increments so that the cooling of the liquid phase relative to the gas phase can be used with high practical efficiency, for the purpose of to effect a strong condensation of the residual gas phase into the liquid phase, so that the losses of the gas phase, when venting the initial transfer vessel, can be reduced to any desired low value .
An object of the invention is to effect the desired transfer of charges from the material in a manner which effectively excludes any heat of external origin from the material.
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during transfer before a determined point, such as the discharge end, in the transfer path in order to reduce as much as practicable the release of the gas phase in the transfer path before that determined point . This exclusion is preferably accomplished in such a manner that the heat which is imparted from outside the system is substantially excluded while the heat imparted to the liquid from parts of the system is raised to a temperature. very low value.
Yet another object is to provide a system of transfer containers and an operating cycle, intended to effect the rapid transfer of liquefied gases for industrial consumption, in particular liquid oxygen, from a gas container. transport which is at a relatively low pressure, to a receiving device such as an evaporator or a storage vessel at a relatively high pressure, so that industrial consumers can be served quickly in a manner which minimizes gligeable what is called blowing to the atmosphere, and that allows the economical flow of liquid or gas in strongly separated points, in variable quantities, with ease and speed.
Other objects of the invention will appear themselves or will be pointed out below.
The invention therefore includes the various operations and the relation of one or more of these operations to each other, and the apparatus comprising the construction features, the combinations of elements and the arrangement. parts which are suitable for carrying out these operations, all as indicated by way of example in the detailed description which follows and whose scope of application is specified in the claims.
For the full understanding of the nature and purposes
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of the invention, reference is made to the detailed description given below with the aid of the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a view, partly in section and partly in elevation, showing an embodiment of the invention on a vehicle and intended to industrially transport a liquefied gas, such as liquid oxygen, and to transfer it. the latter by means of what are called here cascaded containers to a transportable evaporator to serve industrial consumers of oxygen gas.
Fig. 2 is a view, partly in section and partly in elevation, showing a simple system comprising cascaded vessels for transferring liquefied gas in accordance with the present invention.
Fig. 3 is a similar view showing a more complicated system of containers connected so as to incorporate the cascade principle, according to the present invention.
Fig. 4 is a similar view showing a still more complicated system of containers, part of which is connected in series and part in parallel for transferring liquefied gas in accordance with the present invention.
Fig. 5 is a view partly in elevation and partly in section of yet another system, comprising vessels connected partly in series and partly in parallel, incorporating the principle of the cascade and intended to perform rapidly transfer liquefied gas in accordance with the present invention.
Figs. 6 and 7 are explanatory diagrams.
It has heretofore been proposed to transfer liquid material of low volatility, which is substantially stable at temperature and atmospheric pressure, from regions of low pressure to regions of high pressure.
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by means of receptacles connected in a manner capable of imposing successively increased pressures, in a manner somewhat analogous to the use of locks in the canals for navigation, connecting different water levels . These prior arrangements have never encountered or solved the problems encountered by the present invention.
The present invention provides a system of constant volume transfer vessels and an operating process cycle for effecting communication therebetween, whereby substantially uniform loads of liquid are subjected to a succession of increased pressures up to and including. that they have passed to the desired high pressure, the gaseous phase present in the receptacles being sent in the opposite direction in a heat exchange relationship with the liquid and subjected to an inverse succession of pressures, in such a way that a significant portion of the gas phase is re-condensed to liquid at each of the sub-successively lower pressures.
The number of stages employed is preferably such that the total condensing capacity of the liquid is used to as great an extent as possible; the transfer liquid condensation products being obtained to such an extent that the material in the gas phase remains in an initial vessel which is lowered to the. atmospheric pressure, is reduced to a value which is practically negligible. A system of communicating vessels which receives charges of liquid and effects the countercurrent passage of this material in the gas and liquid phases in stages, in such a way that the liquid phase passes from a region of low pressure in an area of high pressure, is for brevity called a cascade system.
The heat exolusion of the cascade system of the present invention is preferably accomplished in the former case by the use of means associated with the transfer vessels.
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fert to insulate the containers from heat from outside the system. Any suitable heat insulating agent can be employed for this purpose, for example a casing of magnesium carbonate.
There is of course a certain amount of heat which may be imparted additionally to the liquid from parts of the system, such as that remaining in the walls of transfer vessels due to their heat capacity and retained after each passage of gas and even- pressure sation. This heat is communicable to the next charge of liquid entering the container since the walls are heated by the gas phase and are at a temperature slightly higher than the temperature of the next charge. To substantially exclude the entry of this heat into the liquid, when so admitted, the heat capacity of the medium containing the liquid is made relatively small.
This is preferably accomplished by providing the transfer vessels or a desired portion thereof with coatings of a nature which substantially retards the conduction of heat between the walls of the vessel and its support; a preferred form includes thin metal receptacles or baskets which have relatively small mass and low specific heat and contact and retain liquid. Such a basket is preferably shaped to fit within the interior of the container and is spaced apart from the interior walls by means of spacers having relatively low thermal conducibility.
A suitable construction of containers, baskets and spacers is given in United States Patent No. 1,948,477 issued February 20, 1934 to Zenner. 'The pipes used to connect the receptacles may be provided with a coating.
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completely analogous, if desired.
The exclusion of heat, as proposed, is important in effecting the transfer of volatile liquids of the nature indicated, because of the relatively large temperature differences encountered and the generally small latent heats of the materials which are vaporized. Otherwise, heat entering from the outside and communicable heat from parts of the system can cause excessive production of a gas phase during the transfer being made. Liquid oxygen has a very small latent heat, which becomes smaller as the critical pressure approaches. Therefore, it is seen that it is desirable to make the exclusion of heat practiced here most stringent for vessels which are associated with the highest pressures.
When the pressures are low, that is to say in the vicinity of a few atmospheres, or when certain liquefied hydrocarbons are transferred, the use of baskets can be dispensed with.
The exclusion of the heat used here preserves the condensing capacity of the liquid, in addition to the reduction in mass of the gas phase produced. The refrigeration of the liquid is thus kept in a very efficient manner so that a certain amount of condensate is obtained which is a-
Added to the transferred liquid phase.
It is also seen that a liquefied gas such as liquid oxygen contains a storage of so-called available energy due to its low temperature and its high density.
This available energy can be used in a suitable apparatus to cause the spontaneous compression of the fluid from a low pressure liquid to a high pressure gas and to deliver the latter to a suitable point outside the system.
This is done, as can be seen, without any additional energy input other than the heat of the space in-
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veering, such as that of the surrounding atmosphere and without appreciable loss of material.
It is proposed, however, to introduce heat in an adjustable manner, when desired, to accomplish the final gas conversion. This is done when the material to be transferred reaches a certain point, for example an evaporator. This can be done at other points, however, particularly in a vessel in which the material passes through critical temperature and pressure. At these pressures, the transfer under the operating forces of a system which depends on a difference in densities becomes relatively inefficient. For this purpose, it is envisaged to provide this transfer container with a means of introducing adjustable heat.
The essential nature of the present cascade system can be seen from the simple system shown in fig. 2.
On this two interconnected transfer vessels a and b which are shown coated and provided with thermally insulating envelopes are arranged to effect a transfer of loads of nature. indicated in two stages from a supply vessel c, which serves as a source, at a relatively low pressure, to a receiving vessel shown here as an evaporator d, to which the controlled supply thermal energy is applied to transform matter into gas at a desired high pressure.
While the transfer vessels a and b are arranged to pass the loads of the material transferred from each vessel successively, thus referred to as a series arrangement, it is also contemplated to employ an arrangement in which the material passes into a transfer container but only once, the material from c being sent to the containers alternately. A similar arrangement is called a
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parallel arrangement. It is also to be envisaged to employ containers connected partly in series and partly in parallel, in systems employing three or more containers.
In the arrangement shown in FIG. 2, a determined quantity of liquid comprising a charge is passed through an inlet duct 10 into the initial vessel a under the influence of a force such as that obtained by a pressure acting in the system. , the charge being admitted through the opening of the control valve 11. To admit the charge, the gas in the container a is displaced.
This is done by an outlet or blowing duct 12 which is controlled by a valve 13. When this duct is opened, it allows the gas to escape directly into the atmosphere while the liquid. enters through line 10. To admit a substantially uniform amount of liquid to each charge, a measuring device is associated with the container a such that the flow is stopped when a desired amount of liquid has entered.
Any suitable measuring device may be employed for this purpose, for example a liquid level actuated shutter for line 12, which automatically closes the latter when the desired amount has entered.
In the arrangement shown, this is achieved by extending the conduit 12, as has been shown at 12 ', in the container.! so that the mouthpiece is at the liquid level reached when the desired amount has entered. The flow of liquid from the container is stopped as soon as the determined level, represented by the liquid rising in the conduit 12 ', is reached in the reoipient a. The material thus admitted into the container a expands when it is heated by the heat exchanged with the gas phase.
Accordingly, the filling
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The proper size of the container a is determined by the nature of the liquid transferred since it is desired to have a gas space in the container a to allow this expansion to take place without overflowing the coating or the coating. deny. The blowing of the residual gas from the container a, here envisaged, need only reduce the pressure of the container a sufficiently below that of the container to achieve the desired flow.
When it is desired to transfer material from container a to container b, valve 14 in connection 15 is opened to first allow a flow of gas which may have remained in container b as a residue from a previous operation, this gas flowing in the liquid charge of the container a. Direct contact heat exchange occurs between gas and liquid so that part of the gas is condensed as the temperature of the liquid is raised and a pressure equilibrium condition is finally reached. and a temperature which is above the initial conditions of the liquid charge and which is below the pressure initially existing in the vessel b. The liquid is then drained from container a to container b using the force of gravity.
This flow is facilitated by the existence of a gas communication conduit 16, controlled by a valve 17 which, when opened, allows the movement of gas from vessel b to vessel a through the valve. quid which flows from the receptacle a to the receptacle b.
The volume of container b may not be the same as that of container a; for example it can be larger in order to provide a gas and liquid space therein which allows in a desired ratio the expansion of gas and liquid when they are brought to an average temperature above that prevailing in the container a.
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It can be seen that the internal energy of the pressurized gas in vessel b, when oelui-oi passes into the liquid of vessel a, is absorbed by the liquid of a because of the condensing capacity of oelui-oi, with a resulting condensation of the gas phase in the liquid phase. There is consequently a redistribution of the internal energy of the system comprising the receptacles a and b, without noticeable change in the total internal energy of the system, since the heat of external origin is strictly excluded and that 'no outside work is done. This series of operating processes can therefore ideally be called adiabatic pressure equalization, although in practice there may be some heat leakage in the system.
The liquid feed, now in vessel b, is discharged to evaporating vessel d which is shown as a coil disposed in a casing 24 and exposed to heating fluid circulating in the casing. . The discharge is produced by the use of an external force, such as gravity, when the valve 18 controlling the outlet pipe 19 to the evaporator is opened and the gas pressures are equalized by the opening of the valve 20 in the duct 21. Forces of displacement of the liquid of external origin, other than the force of gravity can also be used as will result from the desorption of Figs. 3 and 4.
The liquid flowing into the evaporator d is vaporized by the heat supplied to it, and the pressure in the system comprising the vessels b and d rises to a relatively high desired value. A desired quantity of the gas thus produced is sent to storage containers and / or consumption devices which are
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coupled to the system in e, by flow in the conduit 22 when the valve 23 is open. The heat which produces the pressure to effect evacuation is controllably supplied to evaporator d and most of it is contained in the material discharged through conduit 22.
However, a considerable amount of heat in the form of internal energy remains in the gas left in the vessel after evacuation. It is this energy and the material containing it that can be returned to the transferred liquid to any extent desired by the application of the cascade principle. In the example of FIG.
2, much of this energy is retained in the system by condensing gas from vessel b into a fresh charge of liquid in vessel a.
The actual discharge from the outgoing system at a is less in mass than the mass of the charge supplied to the feed container, the mass of the blow molding, and therefore the net discharge represents the material passing through the system. of cascade in the direction of the initial container to the final container while the net blow or net loss represents the net material passing in the reverse direction.
The principle of the operation can be more easily understood by referring to figs. 6 and 7, among which FIG. 6 schematically shows the internal heat and energy transfer which takes place in the system between the vessels a and b, while FIG. 7 shows in an analogous manner the mass flow of material through the system and the redistribution of gas displaced through the system during transfer between vessels, as seen from the detailed description of these figures given herein. -after.
In the representation given here, the volumes of the receptacles a and b (hereinafter called va and vb) are obviously constant. For the purposes of analysis, it was assumed that these
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Condensation occurs so quickly and the vessels are so well insulated that no heat enters the material or leaves the material of vessels a and b during the oondensation operation. Then for the system including the vessels a and b the first law of thermodynamics gives: dQ = .dU + dW .......... (1 formula in which dQ designates the heat added to the system from the outside .dU denotes the internal energy changes of the system dW denotes the work done by the system to the exterior.
We obviously have dQ = 0 and as the volume of the system is constant, dW = 0, therefore dU = 0 which means that the change in internal energy of the system before and after the condensation is zero or that the energy internal remains constant. The internal energy of a gas is a function of temperature only for an ideal gas, but is also a function of pressure for imperfect liquids and gases.
If mf denotes the mass of liquid and gas in vessel a mg denotes the mass of gas in vessel b prior to the equalization flow. uf denotes the internal energy per unit mass in the container a ug denotes the internal energy per unit mass in the receptacle b, we have: mfuf + mgug = Uk (a constant giving the internal energy before or after the mixture) ... (2 mf + mg = mo (a constant) ....................... (3
As the gas or vapor condensed in the liquid is hotter and has a higher pressure than the liquid, heat is added to the liquid by the condensation of gas
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In this one. As a result, the pressure, temperature, mass and specific volume of the liquid rise.
It is theoretically possible to predict the final state of liquid in a and gas in b as a result of the condensation of the second in the first. For this purpose it is necessary to know the initial conditions such as the mass, the pressure and the temperature of the gas and the liquid, the volume of the receptacles and the thermodynamic properties of the liquid and the gas, particularly the temperature. internal energy in function of pressure and temperature or volume.
In general thermodynamic diagrams for different liquids have been prepared, which give a thermal quantity or thermal quantities as a function of what is called the volumetric variables p, t and v. For example, in the temperature-entropy diagram, lines of constant heat and pressure are usually given. In the total pressure-heat diagram, lines of constant temperature and constant entropy are given. It is important to note that the entropy and total heat functions are unique for any state of a substance.
For example at any pressure and any temperature, a given fluid has one and only one value for entropy or total heat.
Internal energy is also a function which is defined by the state of the substance. If a substance is changed by an operation from one state to another, the change in internal energy, entropy or total heat is path independent and has a defined value. In the present discussion the physical significance of these quantities is irrelevant. Yiathematically, they are functions which are employed to determine the pressure and temperature conditions which result in a liquid phase when a gas phase is condensed therein in oondi-
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conditions here imposed. Note that internal energy is a fundamental concept while total heat and entropy are derived.
For an ideal gas, the change in internal energy is equal to the specific heat at constant volume multiplied by the change in temperature, while the change in total heat is equal to the specific heat at pressure finds that multiplies the temperature change. In other words, the internal energy relates to Cv just as total heat is to Cp.
As the operations performed here involve constant volume relations, the function of internal energy is fundamental.
The reduction in blast loss from an initial transfer vessel, by condensation in the next charge of liquid, is an advantageous result achieved by the use of the present cascade system. This is essentially a thermal operation. As with most thermal operations the physical possibilities and limitations of the system are determined from the heat and material balances. This balance, for the present cascade system, differs from that involving a constant flow when a material of the same characteristics can be flowing in the same direction at any time, since the vessels in the cascade system are successively loaded and unloaded.
The heat balance for the present system, according to the first law of thermodynamics, from the above, gives the internal energy Uk of the system as constant for the equalization operation since there is no thermal or mechanical contact with the outside.
For the material located in the a and b respectively, when passing from state (1) to state (2),
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equation (2) becomes Uk mP? + mui 1ùà% # + u ... (4 formula in which m is the mass of matter in the
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container a before legalization and u is the internal energy per unit mass in b after flow. The other terms use the symbols in an analogous way.
The material balance, shown in equation (3) for the change of state in the two receptacles, with no material entering from the outside, becomes the same
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mZ m = m2 2 m: ............................... (5 By mla we mean the mass of matter in a before equalization This includes the weight of matter in both phases when two phases are present Similarly u1a is the average internal energy per unit mass so that m1au1a contains the internal energy of both phases.
By calculating the energy available of the liquid in the system, for example that of liquid oxygen, it can be seen that the substance can be evaporated and made to compress into a relatively high pressure gas, without input of energy other than the heat of the gas. the surrounding space; this is accomplished by the present process without appreciable loss of material.
In order to determine the available energy, we have recourse to the second law of thermodynamics, remembering that the total heat is, by definition, for any system:
I = U + Apv ..................................... (6 equation in which I denotes the o total heat, U denotes the internal energy and Apv denotes the work as a function of the units of heat determined by means of the volume v through which a piston moves at a pressure p, A being the reciprocal of the mechanical equivalent of the heat.
By differentiating then equation (6) we have dI = dU + Apdv + Avdp ........................... (7 but by definition , according to the first law of thermodynamics, as we have indicated above, we have
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dQ = dU + Apdv or dI - AvDp.
By the second law of thermodynamics and for a reversible process, this last expression is equal to the temperature (T) multiplied by the change in entropy (dS). By substitution we have TdS - dI - Avdp, and from there
Avdp = dI - TdS .................................... (8 We see that the quantity Avdp is positive for increasing pressure.
The hypothesis of a strictly reversible process according to the second law of thermodynamics requires that the heat exchanges considered here are also reversible. In order to obtain the final reversibility, it is assumed that all the heat exchanges take place here under infinitesimal temperature differences, at the temperature of room 70 (taken here at 20 C or 293 K). This temperature for heat exchange is possible by assuming reversible adiabatic compressions or expansions as necessary to reach To. With this limitation, the last term of equation (8) becomes To dS.
By integrating the two sides we have
EMI17.1
c / r $ àvdp = I 1 2 .z -i (S -S) ................... (9 1 in which we see that J kvdp is the work of an ideal reversible compressor or c / 1 of an expansion motor operating on a continuous flow and supplied by means of a fluid entering in state (1) and exiting in state (2). for the integral show the amount of work that can be obtained from the fluid by passing from one state to another. This is the available energy which is here called Q.
Therefore
AT
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<L '1 - Il - 0 (Sa -al) ........................ (10 The available energy of one pound of oxygen liquid under pressure
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Atmospheric pressure, compared to one pound of gas at atmospheric pressure and 20 C can be found in tables currently published. Inequation (10), as a function of the British thermal units, then becomes:
QA = 173 - 0 - 293 (1.48 - 0)
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m a61 B.T.ü. / pound
Likewise the energy available from one pound of gaseous oxygen to. 2000 psi and 20 C for example is found to be - 160.3 B.T.U./lb.
This value is less than the energy available in a pound of liquid and therefore it follows that a reversible frictionless device could use the energy available in the liquid to produce
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AOOO psi of gas to 2000 and at the same time discharge the excess energy available in the form of work. In any practical apparatus, certain losses are inevitable.
The fact that the value for the available energy of -2000 psi of gaseous oxygen is less than that of the liquid shows that an apparatus can be established in which an available energy of the liquid oxygen is widely used to produce high pressure oxygen gas without doing any outside work or undergoing a significant loss of material and only requires the addition or removal of heat from the surrounding atmosphere. Various advantageous arrangements of apparatus which effect the removal and use of this heat are given below.
The energy transfer from container b to container a, given above in equation (4), is graphically represented in an explanatory flow diagram according to 1 & fig. 6.
In this case the energy initially found in the material in the container A is arbitrarily taken to be substantially equal to zero and is represented by the vertical line F drawn from top to bottom at the upper left and entering in the system which is represented by the rectangle
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envelopment; the movement of liquid is assumed to be from top to bottom while the movement of gas is shown from bottom to top. The amount of heat or internal energy carried is represented by the width of the currents. The current flow f of liquid first receives a large increase in energy from the gas transferred from vessel b, as shown by the flow ± arriving from the right.
The unregulated heat introduction due to heat leaks etc. is represented by the current h entering the system from the left and joining the current from top to bottom. The controlled introduction of heat is represented by the large current k entering from the left. At the bottom, the departure of current 1, representing the internal energy of the output is shown and it takes away most of the thermal energy that has entered the system. Connected to the current from top to bottom, to the right in the system, there is shown a current m which represents the internal energy of the gas remaining in the final container b after the liquid has been evacuated and which flows from the bottom to up when transferred to the receptacle a.
Most of the internal energy of the current from bottom to top is transferred to the left to form the ± current which joins the liquid stream f, while the remainder escapes from the system with the blowing, as shown in the current n exiting at the upper right end.
In equilibrium, the sum of all thermal energy entering the system is equal to the sum of all thermal energy leaving the system. That is to say that we have: h + k = 1 + n - f ............................... . (11
The diagram in fig. 7 shows in an analogous way the mass balance of equation (5) and the flow of materials in a two-stage cascade system, the flow of the liquid being from top to bottom and the flow of
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gas from bottom to top as before, while the width of the stream indicates the amount by weight. The liquid stream enters at the top left, the width indicating the weight of a load.
Blowing is represented by the flow leaving at the top right, having a width g indicating the weight of gas blown per charge.
The weight of the discharge is represented by the width r of the stream leaving at the bottom. We see that the relation between these quantities is given by the following equation:
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p 8: q + r ..................... 8- ..................... ...................... (12
This equation simply states that the load is equal to the net discharge plus the net discharge. In the system the rising gas stream represents the gas transferred to vessel a from vessel b, the part which flows to the left to join the liquid stream being the condensed part, while the remainder comes out. at the top right as a blow-off.
There is shown in FIG. 1 an industrial application using a transfer container arrangement applying the present method, in order to effect a transfer of liquid oxygen to an industrial consumer apparatus. Shown herein is the chassis of a motor vehicle which carries a supply vessel containing a supply of liquid oxygen at a relatively low pressure, which is to be supplied as gas to a consumer at a relatively high pressure. The container c is supported in an insulating envelope 26 which protects the liquid from unwanted heat input from the atmosphere.
Near the receptacle o is arranged a casing 27 which contains a cascading system of receptacles arranged to effect the transfer of liquid oxygen from receptacle a to a high pressure evaporator, indicated as existing on the truck in a casing 28 and having an outlet or outlet connection
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e to serve a customer. The casing 27 is made substantially airtight so that the apparatus placed therein can be protected from the influence of the heat of the atmosphere by removing the air from the casing. or by filling the space not occupied by the apparatus with heat-insulating material.
The reactor system within the casing 27 can be any cascade system according to the present invention, for example that shown in Figs. 2, 3, 4 or 5. More particularly, that shown as mounted on the truck in FIG. 1 is that of FIG. 5. The connection for liquid charging is shown at 10 in fig. 1; it goes from the bottom of the supply vessel c, has a device for measuring the liquid indicated at 10 'and passes into the top of an initial vessel designated by 73 in order to supply measured loads of liquid oxygen under relatively low pressure to the system.
The transfer of liquid oxygen from the vessel to the serpentine d is accomplished by first causing a flow of liquid through communication 10 into the initial transfer vessel, which operates at the highest pressure level. low in the system. This flow can take place under the influence of a pressure built up in the container c, which is relatively low, for example five pounds per square inch, but exceeding that which prevails in the initial transfer container. The formation of this pressure in the supply vessel can be accomplished in any suitable manner, for example by means of an auxiliary evaporation coil such as 29 arranged as disclosed in the Heylandt patent. republished under n 1887 6 of June 20, 1933.
The transfer of liquid from the supply vessel ± to the coil d can be done by any of the ex- cascade systems.
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posed below with regard to the description of FIGS. 2, 3, 4 and 5; the connection 10 for supplying liquid to the various series of apparatus shown being that shown in each of these figures. A cascade system thus arranged on an automobile truck and used to deliver desired quantities of regasified material to consumer devices in different places, exhibits very low net operating losses, by delivering gas at the desired pressures.
There is shown in FIG. 3 a series of transfer pressure vessels 31, Sa and 33 each connected to a common general line 10 for charging the liquid phase through which liquid is supplied to each of the vessels 31, 32 and 33. These three receptacles are also connected to be opened by a general pipe by means of the exhaust duct 30. A common extraction duct 34 is provided communicating with each of the receptacles for the evacuation thereof, this duct ending in the coils. 35 of a high pressure evaporator. In this arrangement, the transfer containers are hereinafter referred to as connected in parallel. Although only three receptacles have been shown, it is obvious that four or more can be used.
In order to equalize the pressures and temperatures in the containers before evacuating the liquid, a conduit 35 runs from the coils 35 and is connected by a general conduit 36a common to the gas spaces of each of the containers 31, 32 and 33, this connection being shown as produced by branch conduits 36 ', 36 ", 36"'. In duct 36 there is interposed a means of mechanically assisting the flow of fluid therein, which is here shown in the form of a centrifugal fan 37 having its inlet at 38 and its outlet at 39 and
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powered by an electric motor 40.
The ventilator 37 provides, when activated, a pressure difference between the coils 35 and the vessel which is discharging, sufficient to accelerate the flow of liquid and oblige it to be lifted against a height. relatively low load. The coils 35 can therefore be arranged at any desired height above the lowermost part of the transfer containers. A means of connecting the receptacles to one another is also provided for introducing gas from one receptacle through the liquid of another.
This means here comprises an independent duct 41 connected, by means of the branch duct 41 ', to the lower end of the receptacle S1, by means of the branch duct 41 "to the lower end of the repeater 32. , and by means of the branch pipe 41 "'at the lower end of the container 33. The connections to each of the containers are preferably controlled by valves. Accordingly, the communication of the link 1a with the container 31 is shown as controlled by the valve 42 ', while a valve 43' controls the connection with the opening duct 30. A valve 44 'controls the outlet. to the removal line 34, while a valve 45 'controls the connection 36' to the line 36.
A valve 46t controls the branch 41 'ending with the conduit 41 and similar valves are associated with the vessels 32 and 33. A valve 47 is also shown controlling the outlet of the vaporization coil.
In operation, the cycle of operations can be assumed to begin when the valves are closed, the vessels empty of liquid but containing gas, and the vaporizing coils filled with gas at a relatively high pressure. To start the system, the containers are successively filled with loads of liquid.
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extracted from pipe 10 by opening the corresponding valves controlling the general pipe; for example, container 31 is filled with a desired load by opening valves 42 'and 43'.
The pressure of a container 31 is first equalized with that of an adjacent container which is full of gas, for example with a container 32, by the opening of the valves 46 'and 46 ", which has the effect of The result is a pressure in the receptacles 31 and 32 which is intermediate between that initially prevailing in the receptacle 31 and that in the receptacle 32, and a condensation of a part of the gas of the receptacle 32 in the liquid of the receptacle 1. When this first stage of equalization is accomplished, a second is carried out at somewhat higher pressure with another vessel, in this case with vessel 33, by opening valve 46 "after valve 46 "has been closed. When these intermediate equalizations are completed, a final equalization with coil 35 is effected by opening valve 43 '.
Then the valve 44 'is opened and the fan 37 is turned on which creates a pressure difference which results in accelerating the flow of liquid from the transfer vessel into the evaporator. tor. When all the liquid has been discharged, the vessel 31 is filled with gas having a pressure equal to or slightly higher than that of the evaporator.
The practice of thus effecting the equalization in several stages before that finally achieved before the draining produces a greater amount of condensate from the gas phase than could otherwise be obtained, as in each case. stage of the intermediate equalizations, a succession of pressures is applied, each of which makes available a new condensing capacity of the liquid, because each higher pressure applied to the
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liquid raises the boiling point and makes more use of the condensing capacity, which uses the available energy of the liquid in a very efficient manner.
While the container 31 is unloading, the container 32 will be filling, so that upon completion of the evaporation it can be leveled first with the container 33 and then with the container 31. It is seen. therefore that the removal of the gas phase from each container takes place at several pressures such that a relatively low pressure remains in a container when it is finally blown for the admission of a new charge.
Fig. 4 shows an arrangement of transfer pressure vessels partly in series and partly in parallel, by means of which relatively rapid discharge can be effected and relatively continuous operation of the evaporator can be maintained. In this figure, 48 denotes a coated pressure vessel disposed above a second coated pressure vessel 49 and intended to deliver liquid therein; there are, in addition, two receptacles 50 and 51 communicating with a general pipe 52 for transferring the liquid from the receptacle 49. The thin metal casing or the basket 48 'of the receptacle 48 appreciably retards the flow of heat. thick walls of the pressure vessel in the liquid charge placed in oelui-oi.
Starting holes in the upper part of the baskets provide pressure equalization with the space between the basket and the walls of the pressure vessel. This space can be maintained by the fact that the basket is supported by means of strips of material with low thermal conductivity, which promotes the desired effect of thermal insulation and allows the transfer to take place under conditions approaching those of Ideal adiabatic conditions desired.
These oommu-
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also connect at their lower end with a common general duct 53 for discharging the liquid which leads to the evaporator 54. A gas connection means 55 between the evaporator and the containers 50 and 51 has connections 55 'and 55 "connecting respectively to the gas space of the vessels 50 and 51. An equalizing duct 56 protrudes into the vessel 49, almost reaches the top of the latter and has branches 56 'and 56" communicating with the gas space of the receptacles 50 and 51, respectively.
A similar conduit 57 is disposed so as to extend from the gas space of container 49 to the top of container 48. An outgoing conduit 58 runs from the top of container 48 and is controlled by a valve. valve 59. A valve 60 is disposed in conduit 10 to control the inlet. A valve 61 controls the connection through which the container 48 delivers liquid into the container 49, a valve 62 controlling the communication 67. Valves 63 'and 63 "control the inlets respectively to the containers 50 and 51 in the general pipe. discharge valve 52. Likewise, valves 64 'and 64 "control the outlet connections to the removal line 53.
Valves 65 'and 65 "respectively control the communication of the connections 55' and 55" with the conduit 55.
Valves 66 'and 66 "similarly control the downstream branches 56' and 56" of conduit 56 which enter vessels 50 and 51 respectively.
In order to condense the gas from the container 49 into the liquid contained in the container 48, a conduit 67 controlled by a valve 68 is arranged to extend from the gas space of the container 49 into the lower part of the chamber. the liquid space of the container 48, where it is provided with suitable means for distributing the gas in the liquid, for example a distributor 67 'having a number of small openings.
This way produces rapid condensation and
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extent of gas passing from one container to another; similar means are provided for effecting a cross-level equalization between the receptacles 50 and 51, in the form of a distributor connected to a duct 69 comprising a control valve 70. This duct connects the lower parts of the spaces between them. liquid from both containers when valve 70 is open.
The flow of liquid through line 55 into the evaporator 54 is accelerated and is effected against a pressure height caused by the arrangement of the evaporator, by means of a rotary pump 71 having its inlet connected to line 53 and its exhaust communicating with the evaporator. The pump is mechanically powered by any desired means, which is shown in the drawings as an electric motor 72.
In operation, the cycle of operations which normally takes place can be assumed to begin when the coils 54 are full of high pressure gas and the valves are closed. The container 48 is filled through the opening of the valves 59 and 60 to admit a determined quantity of liquid, a desired gas space being kept at the top of the container 48 to prevent overflow of the basket 48 'and to allow the subsequent relaxation. When filling is complete, the valves are closed again and the pressures in the vessels 48 and 49 are then equalized.
This is done by opening the valve 68 so that the gas in the vessel 49, which is at a higher pressure, bubbles through the liquid in the vessel 48 with condensation of a significant portion of that gas. When the equalization is substantially complete, the liquid in the container 48 can be rapidly sent to the container 49 through the opening of the valves 61 and 62, after which the valves 61, 62 and 68 are closed. The liquid can then
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be transferred from container 49 to container 50 through the opening of valve 63 '.
This is accomplished by allowing gas at elevated pressure to first flow from vessel 50 and to bubble through the liquid in vessel 49 through conduit 52 until substantial equalization results. , after which the valve 66 'is opened to quickly complete the transfer of liquid to the container 50. When the container 50 is filled, the valves 63' and 66 'are closed and the valve 70 is opened so that 'there is a cross-level equalization stage of the receptacles 50 and 51 before the filling of the latter takes place, part of the gas which remained in the receptacle 51 of a previous operation flowing through the conduit 69 in the liquid of the reoipient 50 to be partially condensed by the latter.
After closing the valve 70, the receptacle 50 is emptied into the coils 54 by opening the valves 64 'and 65' and starting the pump 71: which applies a sufficient mechanical force to force the material to flow against the head due to the elevation of the evaporator. The valve 23 'is open when the discharge to the receiving apparatus occurs.
Depending on the degree of heat input, vessel 50 is usually discharged relatively slowly to the evaporator so that vessel 48 cannot only be recharged for the start of a new cycle, but charging can. be transferred to the container 49 by repeating the operations described above. Upon completion of the refill of the container 49, while the container 50 is still discharging, the container 51 can be filled. Accordingly, valve 63 "is opened to effect gas condensation and substantial pressure equalization, after which valve 66" is opened and transfer is complete.
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At this time, the container 50 is empty of liquid but filled with gas at a relatively high pressure. Cross-equalization is then effected by opening the valve 70, the flow being from the container 50 into the container 51. When the valve 70 is again closed, the container 51 is then discharged to the coils 54 by. opening of the valve 64 "and of the valve 65" and actuation of the pump 71, the cycle being continued by the alternate reloading and unloading of the receptacles 50 and 51 and those combined therewith, as described above. oi above. In this way, a substantially continuous operation of the evaporator device is obtained.
In fig. Provision has been made for an installation comprising containers designated 73 ', 73 ", 74', 74" and 75, respectively, arranged partly in series and partly in parallel. The vessel 75 is here constructed to be of a different nature from the first-mentioned vessels so that a certain amount of heat can be supplied to the contents thereof, under certain conditions, during discharge to the vessel. evaporator, as is indicated in more detail below. In the arrangement shown, the receptacles 73 'and 73 "are connected in parallel by a common general pipe to receive charges of liquid from the pipe 10.
The container 73 'is arranged to discharge the liquid under the effect of gravity into the container 74' which in turn is established to discharge the liquid into the container 75. In a parallel fashion, the container 73 is set to discharge into container 74t 'which in turn discharges into container 75. Container 75 is thus a common container interposed between a heating coil 76 of evaporator d and the two groups. of receptacles in series 73 ', 74' and 73 "-74". The receptacles 73 'and 73 "are emptied by
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blowing by means of a common general pipe 77.
The evaporator d discharges through a pipe 78 leading to the outlet e. Connections 80 'and 80 "lead the discharge from receptacles 73' and 73 'to receptacles 74' and 74", respectively. Likewise connections 81 'and 81 "discharge from containers 74' and 74" into the upper part of container 75. Removal conduit 82 goes. from the bottom of the container 75 to the coil 76.
An equalization connection 83 leaves from an intermediate point in the coil 76 and has branches 84 and 85 respectively going to general conduits communicating with the receptacles 73'-74 'and with the receptacles 73 "-74. ". Communication conduits are also provided for the cross-equalization of the pressures between corresponding receptacles on the two sides of the connections in parallel. These cross connections are shown at 86 and 87, the connection at 86 connecting the lower parts of the containers 73 'and 73 "while the connection 87 connects the lower parts of the containers 74' and 74".
In this arrangement, a check valve 88 is preferably introduced into the conduit 78 to provide flow in a direction in the conduit to the outlet e.
A connection 89 is also provided running from a point in the conduit 78 beyond the valve 88 to the top of the container 75, a valve 90 being disposed to control this latter connection. A bypass is also preferably provided between conduits 83 and 89, as shown at 101, and is controlled by valve 102. Valves 91 'and 92' respectively control the liquid inlet connections and. starting point of the receptacle 73 '. A valve 93 'controls the connection 80' and a valve 94 'controls the connection 81'.
A valve 95 controls the connection 82 to the vaporizer coil.
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The valve 96 'controls the communication between the upper parts of the containers 73' and 74 'while the valve 97' controls the connection of the container 74 'with the conduit 64. The cross-equalizing connection 86 is omitted. driven by valve 98, while cross-leveling connection 87 is likewise driven by valve 99.
Valves 91 "and 92" are similar to valves 91 'and 92' and control the inlet and outlet connections of receptacles 73 ", with valves 93", 94 ", 96" and 97 "being arranged so analogous to the containers 73 "and 74" and performing the same functions as the valves 93 ', 94', 96 'and 97' respectively.
In operation, the cycle of operations which normally occurs will be assumed to begin when the initial vessels are empty and the evaporator d and vessel 76 are full of gas at a relatively high pressure.
Before filling, the system is first purged of air through the opening of valves 96 'and 97' and 96 "and 97", with valves 96 'and 96 "being closed before the pressure has equalized. into coils 76 and vessels 73 ', 74', 73 "and 74". When the system is thus ready, liquid is introduced into vessel 73 'through the opening of valves 91' and 92 '. has blown off all the gas contained in the container 73 "by means of the pipe 77, the valve 98 is first opened so as to allow the exit of a little gas through the connection 86 of the container 73" in the receptacle 73 ', to be condensed in the liquid thereof.
On opening valve 93 'gradually, the gas in vessel 74' rises through the liquid in vessel 73 ', some of it condensing until the pressures equalize, after which the gas in vessel 73'. Liquid is sent directly from vessel 75 'to vessel 74', the flow being produced through the opening of valve 96 '. This passage of liquid has
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preferably while container 73 "is being filled. Therefore, as soon as valve 98 is closed, valves 91" and 92 "are opened.
When the container 74 'is filled, and before the filling of the container 74 "commences, a cross-leveling is effected between these latter containers by closing the valves 93' and 96 'and opening the valve 99 in. connection 87. When this equalization is completed and valve 99 is closed, valves 94 ', 97' and 102 can be opened and an exchange of gas and liquid takes place between vessels 74 'and 75, the displaced gas flowing upwardly through conduits 101, 83 and 84. In this arrangement, the filling of receptacle 74 'from receptacle 73' and that of receptacle 73 "from connection 10 takes place substantially. simultaneously.
The opening of the valve 94 'is therefore accompanied by the opening of the valves 91' and 92 'to refill the container 73' and blow into it while the container 74 "is at the same time filled from the. receptacle 73 "through the opening of valve 93" first and finally of valve 96 ".
Container 75 is of course filled from container 74 'upon completion of the above-indicated filling operation and after cross-equalization of the pressure in containers 74' and 74 "has been completed. effected by opening the valve 99. The container 75 is then discharged to the coil 76 through the opening of the valves 95 and 102. When the charge of the container 75 has been completely discharged, the valves 95 and 102 are de-energized. closed again and the vessel is reloaded from vessel 74 "to be ready for further discharge to the evaporator.
It can be seen from the arrangement shown that the liquid is admitted into the receptacles always by
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diagonally opposite ooins of the quadrilateral formed by the four containers 73 ', 74', 73 "and 74". It can also be seen that the cross-equalization effected by the opening of the connections 86 and 87 produces an oondensation of gas sent through the liquid, in addition to that effected before the exchange of liquid and gas, this is ie in the series-parallel arrangement shown there are four separate oondensation operations in the transfer of a liquid charge from receptacles 73 'to 75 or receptacles 73' to 75, the gas passage being countercurrent to increases in pressure on the liquid.
The thick-walled container 75 performs an additional function when the charge it contains must be vented at or above the critical pressure. When the heating coil 76 supplies gas at a pressure significantly above the critical pressure, for example oxygen at 2100 pounds per square inch, the material in the container 75 passes through the critical temperature before that it is completely discharged by the valve 95. When the critical temperature is reached, the flow under the influence of gravity becomes very difficult since there is no longer a clear separation of the phases.
It is desirable to force this gaseous material out of vessel 75 by causing it to expand as a result of an increase in its temperature, which expansion may be effected by the advantageous addition of gas. heat to the material in the container 75, for example by the application of a heating fluid such as steam in heat exchange relation with the walls of the container 75, by means of a conduit 100 arranged in rela - tion of thermal conductivity with the wall of the container 75. This forces the gaseous material in the container 75 to heat up with, consequently, an expansion which pushes back
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material quickly out of the container.
Normal flow through valve 95 continues to the evaporator coil which acts as a heater to raise the temperature of the gas and superheat it. The check valve at 88 is, as can be seen, a suitable means of preventing backflow of the line into the evaporator so long as the initial pressure equalization with that in vessel 75 takes place. The gas connection 89 serves to supply gas directly from the line to the vessel 75 when it is desired to withdraw liquid to feed the vaporization coil immediately, without waiting for the pressure to rise to the line pressure. by heat input.
It can therefore be seen that the arrangement of FIG. 5 provides an apparatus for effecting the conservation of displaced gases, to a high degree, by limiting the blowing to a relatively low value, while at the same time supplying vaporized liquefied gas to industrial consumers, at pressures in excess of critical pressure, with the servioe being performed in relatively short periods of time.
When the series of containers are established by means of sufficiently small units, the arrangement is easily capable of being mounted and housed on a truck, as shown in fig. l, to serve industrial consumers, which may be relatively large distances from a central production facility.
The cascade system according to the present invention is also employed in fixed installations, for example to serve consumer devices containing piping connecting several users to a gaseous material under a desired pressure from a low storage vessel. pressure containing the liquefied gas, and for filling containers at the product installation
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liquefied gas generation, in which case the liquefied gas can be received directly from the production apparatus and the gas evacuated from the initial vessel can be returned to the production apparatus for reliquefication.
In cases where the liquid supply source is located above the initial transfer vessel, it is envisioned that gas discharged from the initial vessel at the start of a cycle may be conducted into the supply vessel. to facilitate the flow of liquid.
Although the device which has been shown in the various views as receiving the gaseous material from transfer vessels operating according to the cascade principle has been described as an evaporator comprising heating coils, it goes without saying that the receiving device can have many other forms; for example it may comprise one or more containers containing liquid, or gas storage cylinders or gas heating containers.
As certain changes may be made in the practice of the above process and in the disclosed constructions which embody the invention without departing from the essence of the invention, it should be understood that all which is set forth in the foregoing description or is shown in the accompanying drawings should be interpreted as being given in an explanatory sense and not in a limiting sense.