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MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de
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BREVET D*INVENTION "PERFECTIONNEMENTS AUX MACHINES FRIGORIFIQUES A DIFFUSION " Cette invention est relative aux machines fri-
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garifiques à diffusion clails lesquelles 1.e 1roi.,l 13At pro- duit en tous les points d'une large échelle de températu res, dont la limite inférieure est de préférence très basse, par l'évaporation d'un réfrigérant sous une prèssion partielle croissante.
Par " machine frigorifique à diffusion ", on entend une machine frigorifique à absorption ou résorption dans laquelle le réfrigérant s'évapore et est absorbé par une atmosphère de gaz inerte.
Or, pour obtenir une large échelle de pressions
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partiellesdu réfrigérant en cours d'évaporation, à partir d'un minimum faible, et obtenir ainsi une large échelle de températures de réfrigération, il faut que la quantité de gaz inerte présente dans l'évaporateur de la machine frigorifique à diffusion soit limitée de telle sorte que la pression partielle maximum du réfrigérant se rapproche au moins de très près de la pression totale régnant dans l'évaporateur.
Qn peut obtenir un faible minimum de pression partielle du réfrigérant en faisant en sorte que la teneur en vapeur de réfrigérant du gaz inerte ait été senaiblement éliminée dans l'absorbeur* On peut assurer un faible minimum de température d'évaporation en refroidissant préalablement le gaz inerte à la température minirium, après qu'on en a éliminé la vapeur de réfrigérant, ainsi quele réfrigérant liquide avant d'amener le gaz en contact du réfrigérant liquide dans l'évaporateur,
afin d'éviter que l'évaporation initiale réalisée sous le minimum de pression partielle à la basse température correspondante soit augnentée par la grande quantité de réfrigérant qu'il serait nécessaire d'évaporer uniquement pour refroi" dir le gaz inerte et le réfrigérant liquide qui arrivent.
Or, le rôle principal d'une machine frigorifique produisant du froid aux divers points d'une échelle de températures, par opposition à une température approximativement unique, est de ref roidir des fluides par un échange- de chaleur en contre-courant avec le réfrigérant qui s'évapore. Il faut par conséquent que la production de froid soit quantitativement aussi constante ou uniforme que possible, aux divers points de l'échelle de températures, étant donné que la quantité de fluide à refroi- dir passant en contre-courant doit évidemment rester cons-
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tante pendant toute la durée de l'échange de chaleur.
Or, si la même quantité de gaz inerte passe d'une des extrémités de l'évaporateur à l'autre et que la teneur en vapeur de réfrigérant du mélange de gaz et de vapeur de réfrigérant augmente en raison d'une évaporation de réfrigérant,la quantité de réfrigérant qui doit être évaporée pour élever la température d'évaporas tion de 1 C par un accroissement correspondant de la pression partielle est très faible aux basses températures mais augmente rapidement avec la température.
Cet accroissement de la quantité évaporée de réfrigérant nécessaire pour produire une variation de température de 1 C dépend aussi de la pression totale du mélange de gaz inerte et de vapeur de réfrigérant que contient 1 ' évaporateur.
Un exemple numérique montre que, pour élever la température de -75 C à -75 0, lorsque le débit du mélange de gaz circulant est de 1 m3 par unité de temps, il faut, si l'on utilise l'ammoniaque comme réfrigérant, évaporer 5,66 g d'ammoniaque sous une pression totale de 5 atm. (pression absolue). Sous la même pression totale, il faut évaparer 63 g. par mètre cube de mélange de gaz circulant pour élever la température d'évaporation de -30 0 à -29 C.
Si la pression totale est de 2 atm. (absolue), il faudra, pour élever la température de -75 C à -74 C, évaporer 5,88g. d'ammoniaque par mètre cube de mélange de gaz circulant, alors qu'il faudra en évaporer 127 g. pour élever la température de -30 C à -29 C.
Comme il est nécessaire d'évaporer approximativement la même quantité d'ammoniaque pour refroidir une quantité donnée de fluide d'un degré centigrade in-
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dépendamment de la température, il est évident que, pour maintenir la quantité de froid produite sensiblement constante en tous les points de l'échelle des températures, il faudra que les volumes de mélange de gaz mis en circulation soient maintenus dans le rapport inverse des poids d'ammoniaque évaporés sus-indiquée.
Par exemple, pour évaporer 100g. d'ammoniaque par heure et par degré C de variation de température (ce qui permettrait de refroidir de 1 degré C 100 m3 d'un fluide tel que l'azote ou l'air par heure), le volume de mélange de gaz qu'il faudra faire circuler dans les diverses parties de l'évaporateur, sous une pression totale de 5 atm. (absolue) est de 1,59 m3, de -30 C à -29 0, et 17,6 m3,de -75 C à -74 C. Le volume de mélange de gaz qu'il.faudra faire circuler sous une pression totale de 2 atm. (absolue) serait de 0,79 m3 entre -30 0 et -290C et de 17 m3 entre -75 C @t-74 C.
L'objet de la présente invention est de rendre sensiblement unifonne la production de froid en tous les pointa d'une large échelle de températures dans une machine frigorifique à diffusion. Suivant l'invention, on réalise le résultat désiré en faisant sortir ou extrayant de l'évaporateur de cette machine du gaz inerte à un taux tel qu'il permette un taux d'évaporation constant par degré d'accroissement de température en tous les points du trajet du gaz inerte à l'intérieur de l'évapo- rateur.
En d'autres termes, on extrait progressivement de l'évaporateur une quantité suffisante de gaz inerte pour réduire la quantité de gaz inerte qui reste dans toutes les parties de l'évaporateur traversées par ce gaz à une valeur telle qu'un taux constant d'évaporation du réfrigérant le long de l'évaporateur assure un taux
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constant d'accroissement de la pression partielle et de la température.
On extrait progressivement le gaz inerte de l'évaporateur en permettant à ce gaz de fuir par une série de troua et de pénétrer dans une capacité communiquant avec l'absorbeur et dans laquelle règne une pression un peu plus basse que dans l'évaporateur.
Ces trous sont de préférence disposés suivant une rangée hélicoïdale dans la paroi d'un évaporateur cylindrique, de sorte que la fuite progressivement décroissante et correctement proportionnée de gaz inerte peut être déterminée d'avance par l'inclinaison de la rangée hélicoïdale et par le diamètre et la distance d'axe en axe des trous,
Le taux auquel il est nécessaire de diminuer la quantité de gaz inerte en circulation pour maintenir constante la production de froid en tous les points de l'échelle de températures est beaucoup plus grand aux basses températures qu'aux températures élevées et c'est pourquoi il faut rapprocher ou (et) agrandir les trous à l'extré.. mité la plus froide de l'évaporateur et les éloigner ou (et)
les rapetisser progressivement en allant vers l'ex- t rémité moins froide.
On peut limiter la pression totale régnant dans l'évaporateur de façon'que la température maximum d'évaporation du réfrigérant soit beaucoup plus faible que la température atmosphérique. Par exemple, avec l'ammoniaque comme réfrigérant, la pression totale (absolue) peut être de 2 atm. A l'extrémité inférieure de l'échelle des pressions partielles et des températures, on fait en sorte que l'ammoniaque s'évapore sous une pression partielle inférieure à 0,1 atm. (absolue), pression à laquelle la température d'évaporation est -71 0.' On ne peut pas obte-
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nir des températures beaucoup plus basses avec l'ammoniaque puisque cet agent se congèle à -77 C.
On fait en sorte que la pression partielle maximum qui intervient à la limite supérieure de l'échelle soit égale à la pression totale, (absolue), soit 2 atm., l'ammoniaque s'évaporant à -20 C sous cette pression. On remarquera incidentellement que, à cet endroit de l'évaporateur, la quantité de gaz inerte présente est très faible, sinon nulle, puisque tout ou presque tout ce gaz peut avoir déjà été extrait, mais ceci n'a pas d'effet sur la limitation supérieure de la température puisque cette dernière dépend de la pression totale, qu'elle soit due au gaz, à la vapeur ou à la fois au gaz et à la vapeur.
Comme la machine est principalement destinée à refroidir des fluides et que, lorsqu'on refroidit par exemple de l'air comprimé pour produire de l'air ou de l'oxygène liquide, on effectue ce refroidissement à partir de la température atmosphérique, un excès de froid approprié devra dans ce cas être produit à -20 C pour refroidir l'air de -20 C, par exemple, à -19 0. par exemple. Au-dessous de -19 C, le refroidissement est effec" tué avec une légère différence de température - juste suffisante pour effectuer la transmission de chaleur par le froid produit aux divers points de l'échelle de températures allant de -20 C à -71 C. Pour produire l'excès de froid à -20 C, on continue à évaporer l'ammoniaque par ébullition sous la pression totale de 2 atm.
(absolue) comme dans les machines frigorifiques n'ayant pas de gaz inerte dans l'évaporateur.
Pour améliorer le rendement-,il est bon de refroidir la liqueur pauvre à une température inférieure à celle de l'eau dont on dispose pour le refroidissement
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ou de l'atmosphère,, par la portion la plus chaude de l'évaporateur. La liqueur pauvre est ainsi rendue apte à absorber une plus grande quantité de réfrigérant du gaz inerte qui passe à l'état froid de l'évaporateur à l'absorbeur.
Le mélange de gaz dévié ou extrait est conduit en relation d'échange de chaleur avec le gaz laissé dans l'évaporateur et peut aussi être conduit en relation d'échange de chaleur avec le gaz arrivant de l'absorbeur.
Ce mélange dévié est transféré à une partie appropriée de l'absorbeur. Dans certains cas, il peut être avantageux de maintenir séparés différents mélanges de gaz contenant différentes proportions de gaz inerte et de vapeur et d'introduire les diverses parties du mélange de gaz dévié dans des parties de l'absorbeur dans lesquelles les compositions sont du même ordre.
Des modes de réalisation de machines frigorifiques à diffusion suivant l'invention sont représentés à titre d'exemples sur les dessins annexés dans lesquels :
Fig. 1 est une vue en élévation d'une machine frigorifique à diffusion entière;
Fig. 2 est une élévation coupe de l'évaporateur de la machine, à plus grande échelle que la Fig. l;
Fig. 3 est une élévation-coupe de l'absorbeur de la machine, à plus grande échelle que la Fig. 1;
Fig. 4 est une élévation-coupe d'une machine modifiée.
Dans les Fig. 1 à 3, a est la chaudière de la machine frigorifique, chauffée par un brûleur à gaz b. a1 est une portion cylindrique horizontale déportée de la chaudière a, cette portion étant placée au même niveau que la surface supérieure du liquide que contient la chaudière et assurant une grande étendue de cette surface.
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c est un rectif icateur s'élevant à partir de la chaudière a et refroidi par un serpentin tubulaire intérieur dans lequel circule de l'eau dont les tuyaux d'arrivée et de départ sont indiqués en c1, c2. est un condenseur relié au rectificateur a est un absorbeur. est un évaporateur.
est une pompe qui transfère la liqueur riche arrivant de l'absorbeur e par un tuyau g1 à l'une des extrémités du tube extérieur il d'un échangeur de chaleur du type à double serpentin, tube dont l'autre extrémité est reliée à la portienhorizontale a1 de la chaudière par un tuyau h1.
La liqueur pauvre quitte la chaudière a par un tuyau i qui constitue le tube intérieur de l'échangeur de chaleur à double serpentin h, à la sortie duquel ce tube est muni d'un détendeur il, et amène la liqueur pauvre à un refroidisseur préalable disposé dans l'évaporateur L, d'Où elle se rend à l'absorbeur e, comme il sera décrit plus loin.
Du condenseur d, le réfrigérant liquide, par exemple l'ammoniaque, est amené à l'évaporateur f par un tuyau d1. Avant d'entrer dans l'espace évaporatoire de l'évaporateur f, le réfrigérant liquide passe dans un serpentin tubulaire j disposé dans la partie supérieure de l'évaporateur f et dans lequel ce liquide est refroidi approximativement à la température régnant dans cette partie supérieure de l'évaporateur. Le réfrigérant liquide refroidi est conduit par un tuyau k, relié au serpentin tubulaire j et muni de deux branchements k1 et k2 pourvus de détendeurs k3, , à deux niveaux de l'évaporateur f.
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Au niveau supérieuralimenté par le branchement k1, le réfrigérant liquide se déverse d'une auge annulaire 1 par-dessus une cloison annulaire 11 sur laquelle est montée à cheval une mèche en treillis mé- tallique 12 qui distribue le liquide réfrigérant sur les serpentins tubulaires situés au-dessous. Dans la partie supérieure de l'évaporateur, les divers serpentins sont le serpentin j, déjà mentionné, dans lequel le réfrigérant liquide est refroidi, et un second serpentin m dont les spires sont intercalées entre celles du serpentin j et qui est relié au tuyau d'amenée de 'liqueur pauvre i.
En raison du fait que la liqueur pauvre est refroidie dans le serpentin m avant de pénétrer dans l'absorbeur e,, cette liqueur absorbe plus facilement la vapeur de réfrigérant qui arrive de l'évaporateur f par un tuyau f1 reliant le sommet du dit évaporateur à l'extrémité supérieure de l'absorbeur e.
Le sommet de l'absorbeur e est relié par un tuyau e1 à l'extrémité supérieure d'un serpentin tubu- laie n disposé dans l'évaporateur L et dont l'extrémité inférieure débouche au fond de l'évaporateur,
Au-dessus du serpentin n se trouve une auge annulaire o dans laquelle le branchement k2 débite du réfrigérant liquide qui, grâce à un déversoir o1 embrassé par une mèche en toile métallique o2, se déverse sur le serpentin n.
L'absorbeur ± et l'évaporateur f sont remplis d'une charge de gaz inerte, telle que l'azote, qui est entraînée par un ventilateur e2 et passe de l'absor" beur e, par le tuyau e1 et le serpentin n, dans l'évaporateur f. Le gaz inerte est refroidi par le réfri-
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gérant qui s'évapore sur le serpentin n, avant de passer de celui-ci dans l'extrémité inférieure de l'évaporateur f.
La partie inférieure de l'évaporateur f. est entourée par une chemise p avec laquelle l'intérieur de l'évaporateur communique par une rangée hélicoïdale de trous q. La chemise p conmunique par un tuyau r avec un espace annulaire ménagé entre la paroi de l'absor-
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beur à et une cloison cylindrique a disposée dans cet absorbeur. Cet espace annulaire est fermé au sommet par le fond d'une auge annulaire t qui est disposée à la partie supérieure de l'absorbeur e, mais il est ouvert à son extrémité inférieure, de sorte qu'il communique avec l'intérieur de la cloison cylindrique s.
Dans l'absorbeur e, un noyau fuselé de métal en feuille iL constitue un espace annulaire entouré par la cloison cylindrique s, espace dans lequel un serpen- tin tubulaire y, dans lequel passe de l'eau réfrigéran- te, est disposé au-dessous de l'auge t. L'auge 1 est limitée intérieurement par un déversoir annulaire t1 sur lequel chevauche une mèche en treillis métallique t2 sur laquelle coule la liqueur pauvre qui est ainsi distri- buée sur le serpentin tubulaire v.
L'évaporation s'effectue à l'extrémité inférieure de l'évaporateur f. où le gaz inerte est amené, à l'état préalablement refroidi, par le eerpentin tubulaire n, sous le minimum de pression partielle, et, par conséquent, à la température minimum. L'évaporation s'accomplit de bas en haut sous une pression partielle progressivement croissante et, par conséquent, à des tempé- ratures progressivement croissantes, à mesure que le gaz monte dans l'évaporateur. En montant dans l'évaporateur
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f, le mélange de gaz inerte et de vapeur de réfrigérant passe progressivement par les trous q dans la chemise p et, de là, directement à l'absorbeur e.
La distance entre les trous successifs q augmente de l'extrémité ,inférieure à l'extrémité supérieure de la rangée hélicoï- dale, de telle sorte que le mélange de gaz inerte et de réfrigérant quitte l'évaporateur à un taux tel que la quantité de réfrigérant qui s'évapore est constante à mesure que la pression partielle et la température augmen- tant,
A l'extrémité supérieure de la rangée de trous q, tout le gaz inerte, ou presque, est passé de l'évapo- rateur f dans la chemise p, et l'évaporation se poursuit par ébullition sous la pression totale,et par conséquent à la température maximum, dans la partie de l'évaporateur f. qui est comprise entre la fin de la rangée de troua q et l'auge inférieure p.
A cet endroit, un excès de froid est produit à la température maximum et est utilisé comme il sera décrit plus loin.
Entre les deux auges 1. et o de l'évaporateur f, l'évaporation s'effectue aussi sous la pression totale et à la température maximum et, comme décrit plus haut, est utilisée pour soumettre à un refroidissement préalam ble la liqueur pauvre du serpentin m et le réfrigérant liquide du serpentin j. w désigne deux serpentins tubulaires dont les spires sont intercalées entre celles du serpentin à gaz inerte n s'étendant vers le bas au-dessous de l'auge inférieure o dans l'évaporateur f.
Le fluide à re- froidir, tel que l'azote dans une installation de production d'oxygène, est conduit en parallèle de haut en bas
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dans les deux serpentins tubulaires W, de sorte qu'il est refroidi par le réfrigérant qui s'évapore dans l'éva- porateur au-dessous de l'auge inférieure.20
La pression totale régnant dans l'évaporateur est maintenue faible, par exemple à 2 atm. (absolue), de sorte que la température maximum d'évaporation de l'ammoniaque est inférieure à la température atmosphérique, soit, par 2 atm. de pression absolue, à -20 0.
Le fluide (azote)doit toutefois être refroidi à partir de la température atmosphérique, par exemple de + 20 C à -19 C, avant d'être refroidi par le réfrigérant qui s'évapore à une échelle de températures sous la. gamme des pressions partielles régnant dans la portion inférieure - traversée par le gaz de l'évaporateur. On effectue la première partie du refroidissement à l'aide de l'excès de froid produit, comme décrit plus haut, au maximum de température d'évaporation sous la pression totale.
Le réfrigérant évaporé qui n'a pas été entrai... né par le gaz inerte s'échappant par les trous q passe, le cas échéant, avec le gaz inerte restant, du sommet de l'évaporateur f. dans la partie supérieure de l'absorbeur e, par le tuyau f1 faisant communiquer l'absorbeur et l'évaporateur. La résistance offerte à l'écou- lement dans ce tuyau f1, par exemple en raison de sa faible section intérieure, provoque dans l'évaporateur f. un léger excès de pression qui favorise la fuite du gaz inerte par les trous q.
Le réfrigérant liquide susceptible de n'avoir pas été évaporé est transféré par un tuyau de drainage x du fond de l'évaporateur f. dans une chemise 1. entourant le tuyau à liqueur riche gl. Une partie du réfrigérant bout dans cette chemise et les bulles de
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vapeur ainsi produites élèvent le reste du réfrigérant liquide à l'intérieur d'un tuyau z et l'introduisent dans la partie inférieure de l'absorbeur e, où il se mélange avec et est absorbé par la liqueur riche. x1 désigne une soupape de retenue montée sur le tuyau x.
Le refroidissement de la liqueur riche, effec tué par le réfrigérant que contient la chemise y, dimi- nue le risque que Inspiration de la pompe g provoque l'évaporation de cette liqueur.
Le gaz inerte n'agit pas de façon à égaliser la pression dans toutes les parties de la machine. La pression régnant dans la chaudière et le condenseur est , plus grande que celle régnant dans l'absorbeur et l'évapo- rateur. et la liqueur riche est portée à la pression de la chaudière par la pompe g. Par exemple, avec de l'am- moniaque, il faut une pression absolue de 9 atm. dans la chaudière et le condenseur pour effectuer la condensation avec de l'eau réfrigérante à 20 C.
La construction modifiée de machine frigorifi- que à diffusion représentée sur la figure 4 est destinée à être utilisée en cascade avec celle des figures 1 à 3 pour élargir la gamme des températures vers le bas, par exemple jusqu'à un minimum de -100 Ce A cet effet, un réfrigérant tel que l'éthane et un liquide d'absorption tel que le butane, ou le toluol, ou un réfrigérant tel que l'éthylène avec le dichloréthylène comme absorbant, ne se congelant pas à la température minimum sont utili- sés.
De même, ainsi qu'on le fait habituellement dans la réfrigération en cascade, un réfrigérant liquide vola- til tel que l'ammoniaque provenant de la machine frigori- fique dont la température est la plus élevée est utilisé
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pour refroidir à la température de condensation inférieure à la température atmosphérique - le réfrigérant, tel que l'éthane, de la machine frigorifique dont la température est la plus basse, ainsi que pour refroidir l'absorbeur.
La machine peut toutefois être utilisée à titre de machine frigorifique indépendante avec un réfrigérant se condensant à la température atmosphérique. a est la chaudière dans laquelle la liqueur est chauffée par de la vapeur d'eau engendrée dans une chambra a2 par un brûleur à gaz b. c est le recti- f icateur. d est le condenseur, refroidi par de l'ammoniaque qui s'évapore dans un tuyau 1.
L'évaporateur 1:. surmonte l'absorbeur e, au- quel il est relié par un col tubulaire 2. Dans ce col 2, le mélange froid de gaz inerte et de réfrigérant descend de l'évaporateur en contre-courant et en relation d'échange de chaleur a.vec du gaz inerte qui monte par des
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tuyaux 3 de l' abso rbeur , à l'évaporateur L, après que sa teneur en réfrigérant a été éliminée.
Le réfrigérant liquide passe par un tuyau il dans un serpentin réfrigérant j contenu dans l'évapo- rateur f etde là, par un tuyau ±muni d'un détendeur k5, dans une auge annulaire o prévue dans la partie supérieure de l'évaporateur f..
Le réfrigérant passe par-dessus un déversoir o1 et descend par une mèche o2 sur les serpentins tubulaires j et E dans lesquels le réfrigérant liquide et un fluide extérieur sont respectivement soumis à un refroidissement préalable et refroidi ,
Une cloison cylindrique 4 fermée à son extrémi"
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té supérieure s'élève à partir du col 2. Cette cloison est percée d'une rangée hélicoïdale de trous q par lesquels le mélange de gaz inerte et de vapeur de réfri- gérant sort progressivement de l'espace annulaire dans lequel s'effectue l'évaporation du réfrigérant descendant.
Cet échappement progressif du mélange de gaz est calculé de façon à rendre sensiblement uniforme la production (le froid créée aux divers points de l'échelle des pressions partielles et températures croissantes à l'intérieur de 1$ évaporateur. comme on l'a dit précédemment.
Au-dessous des trous q, le réfrigérant bout sous la pression totale, et la vapeur pénètre dans le col 2 par des trous 5 de la cloison 4.
Le mélange de gaz inerte et de réfrigérant se rend à l'extrémité inférieure de l'absorbeur s. en passant le long et à l'intérieur d'une cloison cylindrique 6 descendant du col 2.
La liqueur pauvre est transférée à l'intérieur d'une auge annulaire t située au sommet de l'espace annulaire entourant la cloison cylindrique 6 de l'absor- beur ±. Cette liqueur pauvre passe pardessus un déver- soir t1 garni d'une mèche t2 qui amène cette liqueur sur un serpentin réfrigérant v dans lequel passe un liquide réfrigérant tel que de l'ammoniaque liquide, s'il s'agit d'une machine en cascade de l'eau réfrigérante, s'il s'agit d'une machine indépendante.
La liqueur enrichie par l'absorption de réfri- gérant du mélange de gaz passe par un tuyau gl à une pompe g qui la refoule par l'intermédiaire du tube extérieur h d'un échangeur de chaleur à serpentin double dans un tuyau hl qui l'amène à la chaudière a.
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Une machine frigorifique à diffusion telle que celle décrite plus haut et dans laquelle on obtient, par exemple, une échelle de températures allant de -30 à -60 C, peut être utilisée économiquement pour séparer le benzol des gaz de fours à coke et des gaz analogues par la liquéfaction du benzol, du toluol et des autres produits liquéfiables que contient le gaz et qui sont liquéfiables à ces températures.
Avant d'admettre le gaz de four à coke à l'extrémité supérieure du serpentin évaporateur W, figure 2, on le soumet à un refroidissement préalable en le faisant monter dans les tubes d'un échangeur de chaleur tubulaire dans lequel du gaz de four à coke qui est déjà passé
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dans le serl)entiii 1 descend en contre"courant autour des tubes de cet échangeur. Ceci a non seulement pour effet de refroidir préalablement le gaz à une température de -5 à -15 (la température dépendant de la teneur en eau du gaz), mais aussi d'éliminer, en la condensant, la vapeur qu'il contient.
En ruisselant de haut en bas sur la surface interne de l'échangeur de chaleur effectuant le refroidissement préalable, l'eau condensée entraîne le naphtaline par une action de lavage et l'empêche ainsi d'adhérer aux parois des tubes.
L'eau condensée s'accumule à la partie inférieure de l'échangeur de chaleur et on la retire de cette partie.
On prévoit de préférence, pour effectuer le refroidissement préalable, deux échangeurs de chaleur qui sont alternativement refroidis par le gaz arrivant du serpentin évaporateur. A l'aide de robinets à deux voies, on fait d'abord passer le gaz de four à coke frais, à la température atmosphérique, à travers celui
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des échangeurs de chaleur qui, à l'instant envisagée n'est pas en train d'être refroidi par le gaz revenant du serpentin évaporateur, puis on le fait passer à travers l'autre échangeur de chaleur qui est en train d'être refroidi par le gaz revenant du dit échangeur.
Le gaz frais arrivant à la température atmosphérique dégèle l'eau que l'échangeur de chaleur temporairement non refroidi est susceptible de contenir et qui peut avoir été congelée sous forme de neige pendant que cet échangeur de chaleur était précédemment refroidi par le gaz de retour.
Le benzol, le toluol et les autres produits liquéfiés dans le serpentin 'IL sont recueillis par un réservoir collecteur fermé recevant la vidange du ser pentin et sont retirés de ce collecteur.
Pour éviter que des produits se congèlent et se fixent dans le serpentin évaporateur, on peut introduire dans l'extrémité supérieure de ce serpentin du toluol liquide, qui ne gèle pas avant que sa température ait été réduite à environ -95 , de façon que ce liquide dissolve les produits ainsi susceptibles de se congeler et les élimine par une action de lavage..
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PATENT OF INVENTION "IMPROVEMENTS IN REFRIGERATION MACHINES WITH DIFFUSION" This invention relates to frying machines.
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diffusion garifica ls which 1.e 1roi., l 13At produces at all points of a large temperature scale, the lower limit of which is preferably very low, by the evaporation of a refrigerant under pressure. partial increasing.
By "diffusion refrigeration machine" is meant an absorption or resorption refrigeration machine in which the refrigerant evaporates and is absorbed by an inert gas atmosphere.
However, to obtain a large scale of pressures
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of the refrigerant during evaporation, from a low minimum, and thus obtain a wide range of refrigeration temperatures, the quantity of inert gas present in the evaporator of the diffusion refrigeration machine must be limited to such an extent. so that the maximum partial pressure of the refrigerant approaches at least very close to the total pressure prevailing in the evaporator.
A low minimum refrigerant partial pressure can be achieved by ensuring that the refrigerant vapor content of the inert gas has been substantially removed in the absorber * A low minimum evaporating temperature can be ensured by pre-cooling the gas inert at the minirium temperature, after the refrigerant vapor has been removed therefrom, as well as the liquid refrigerant before bringing the gas into contact with the liquid refrigerant in the evaporator,
in order to avoid that the initial evaporation carried out under the minimum partial pressure at the corresponding low temperature is increased by the large quantity of refrigerant which it would be necessary to evaporate only to cool the inert gas and the liquid refrigerant which arrive.
However, the main role of a refrigerating machine producing cold at various points on a temperature scale, as opposed to an approximately single temperature, is to cool fluids by a countercurrent heat exchange with the refrigerant. which evaporates. It is therefore necessary that the production of cold be quantitatively as constant or uniform as possible, at the various points of the temperature scale, since the quantity of fluid to be cooled passing in counter-current must obviously remain constant.
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aunt for the duration of the heat exchange.
However, if the same quantity of inert gas passes from one end of the evaporator to the other and the refrigerant vapor content of the mixture of gas and refrigerant vapor increases due to evaporation of refrigerant, the amount of refrigerant which must be evaporated to raise the evaporating temperature by 1 C by a corresponding increase in the partial pressure is very small at low temperatures but increases rapidly with temperature.
This increase in the evaporated amount of refrigerant required to produce a temperature change of 1 ° C. also depends on the total pressure of the mixture of inert gas and refrigerant vapor contained in the evaporator.
A numerical example shows that, in order to raise the temperature from -75 C to -75 0, when the flow rate of the circulating gas mixture is 1 m3 per unit of time, it is necessary, if ammonia is used as a refrigerant, evaporate 5.66 g of ammonia under a total pressure of 5 atm. (absolute pressure). Under the same total pressure, 63 g must be evaporated. per cubic meter of gas mixture circulating to raise the evaporating temperature from -30 0 to -29 C.
If the total pressure is 2 atm. (absolute), to raise the temperature from -75 C to -74 C, it will be necessary to evaporate 5.88 g. ammonia per cubic meter of gas mixture circulating, while it will be necessary to evaporate 127 g. to raise the temperature from -30 C to -29 C.
Since it is necessary to evaporate approximately the same amount of ammonia in order to cool a given amount of fluid by an inferior degree of centigrade
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depending on the temperature, it is obvious that, in order to keep the quantity of cold produced substantially constant at all points of the temperature scale, it will be necessary that the volumes of gas mixture circulated be kept in the inverse ratio of the weights of ammonia evaporated above.
For example, to evaporate 100g. of ammonia per hour and per degree C of temperature variation (which would allow 100 m3 of a fluid such as nitrogen or air to be cooled by 1 degree C per hour), the volume of gas mixture that it will be necessary to circulate in the various parts of the evaporator, under a total pressure of 5 atm. (absolute) is 1.59 m3, from -30 C to -29 0, and 17.6 m3, from -75 C to -74 C. The volume of the gas mixture that must be circulated under pressure total of 2 atm. (absolute) would be 0.79 m3 between -30 0 and -290C and 17 m3 between -75 C @ t-74 C.
The object of the present invention is to make the production of cold substantially uniform at all points of a large temperature scale in a diffusion refrigeration machine. According to the invention, the desired result is achieved by causing inert gas to exit or extract from the evaporator of this machine at a rate such that it allows a constant rate of evaporation per degree of temperature increase at all points. the path of the inert gas inside the evaporator.
In other words, a sufficient quantity of inert gas is gradually extracted from the evaporator to reduce the quantity of inert gas which remains in all the parts of the evaporator through which this gas passes to a value such that a constant rate d evaporation of the refrigerant along the evaporator ensures a
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constant increase in partial pressure and temperature.
The inert gas is gradually extracted from the evaporator, allowing this gas to escape through a series of holes and to enter a capacity communicating with the absorber and in which a slightly lower pressure prevails than in the evaporator.
These holes are preferably arranged in a helical row in the wall of a cylindrical evaporator, so that the progressively decreasing and properly proportioned leakage of inert gas can be determined in advance by the inclination of the helical row and by the diameter. and the distance from axis to axis of the holes,
The rate at which it is necessary to decrease the quantity of inert gas in circulation to keep the production of cold constant at all points of the temperature scale is much greater at low temperatures than at high temperatures and therefore it is must bring or (and) enlarge the holes at the coldest end of the evaporator and move them away or (and)
Gradually reduce them going towards the less cold end.
The total pressure in the evaporator can be limited so that the maximum evaporation temperature of the refrigerant is much lower than the atmospheric temperature. For example, with ammonia as the refrigerant, the total (absolute) pressure can be 2 atm. At the lower end of the scale for partial pressures and temperatures, ammonia is allowed to evaporate at a partial pressure of less than 0.1 atm. (absolute), pressure at which the evaporating temperature is -71 0. ' We can't get-
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nish much lower temperatures with ammonia since this agent freezes at -77 C.
It is ensured that the maximum partial pressure which occurs at the upper limit of the scale is equal to the total pressure, (absolute), or 2 atm., The ammonia evaporating at -20 C under this pressure. It will be noted incidentally that, at this location of the evaporator, the quantity of inert gas present is very small, if not zero, since all or almost all of this gas may have already been extracted, but this has no effect on the upper limitation of the temperature since the latter depends on the total pressure, whether due to gas, steam or both gas and steam.
As the machine is mainly intended for cooling fluids and when, for example, when compressed air is cooled to produce air or liquid oxygen, this cooling is carried out from atmospheric temperature, an excess in this case suitable cold should be produced at -20 C to cool the air from -20 C, for example to -19 0. for example. Below -19 C, cooling is effected with a slight temperature difference - just enough to effect heat transfer by the cold produced at various points on the temperature scale from -20 C to -71 C. To produce the excess cold at -20 C, the ammonia is continued to evaporate by boiling under the total pressure of 2 atm.
(absolute) as in refrigeration machines having no inert gas in the evaporator.
To improve the efficiency, it is good to cool the lean liquor to a temperature below that of the water available for cooling.
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or atmosphere, through the hottest portion of the evaporator. The lean liquor is thus made capable of absorbing a greater quantity of refrigerant from the inert gas which passes in the cold state from the evaporator to the absorber.
The diverted or extracted gas mixture is conducted in a heat exchange relationship with the gas left in the evaporator and can also be conducted in a heat exchange relationship with the gas arriving from the absorber.
This deviated mixture is transferred to a suitable part of the absorber. In some cases, it may be advantageous to keep separate different gas mixtures containing different proportions of inert gas and vapor and to introduce the various parts of the deflected gas mixture into parts of the absorber in which the compositions are the same. order.
Embodiments of diffusion refrigeration machines according to the invention are shown by way of example in the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is an elevational view of a full diffusion refrigeration machine;
Fig. 2 is a sectional elevation of the evaporator of the machine, on a larger scale than in FIG. l;
Fig. 3 is a sectional elevation of the absorber of the machine, on a larger scale than in FIG. 1;
Fig. 4 is a sectional elevation of a modified machine.
In Figs. 1 to 3, a is the boiler of the refrigeration machine, heated by a gas burner b. a1 is a horizontal cylindrical portion offset from the boiler a, this portion being placed at the same level as the upper surface of the liquid contained in the boiler and ensuring a large extent of this surface.
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c is a rectifier rising from the boiler a and cooled by an internal tubular coil in which circulates water, the inlet and outlet pipes of which are indicated in c1, c2. is a condenser connected to the rectifier a is an absorber. is an evaporator.
is a pump which transfers the rich liquor arriving from the absorber e through a pipe g1 to one end of the outer tube il of a double coil type heat exchanger, the other end of which is connected to the horizontal port a1 of the boiler by a pipe h1.
The lean liquor leaves the boiler a through a pipe i which constitutes the inner tube of the double coil heat exchanger h, at the outlet of which this tube is fitted with an expansion valve il, and brings the lean liquor to a pre-cooler disposed in the evaporator L, from where it goes to the absorber e, as will be described later.
From the condenser d, the liquid refrigerant, for example ammonia, is brought to the evaporator f via a pipe d1. Before entering the evaporative space of evaporator f, the liquid refrigerant passes through a tubular coil j arranged in the upper part of the evaporator f and in which this liquid is cooled approximately to the temperature prevailing in this upper part of the evaporator. The cooled liquid refrigerant is conducted by a pipe k, connected to the tubular coil j and provided with two connections k1 and k2 provided with pressure reducers k3,, at two levels of the evaporator f.
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At the upper level supplied by connection k1, the liquid refrigerant flows from an annular trough 1 over an annular partition 11 on which is mounted astride a wire mesh 12 which distributes the refrigerant liquid on the tubular coils located below. In the upper part of the evaporator, the various coils are coil j, already mentioned, in which the liquid refrigerant is cooled, and a second coil m whose turns are interposed between those of coil j and which is connected to pipe d 'supply of' poor liquor i.
Due to the fact that the lean liquor is cooled in the coil m before entering the absorber e ,, this liquor more easily absorbs the refrigerant vapor which arrives from the evaporator f through a pipe f1 connecting the top of said evaporator at the upper end of the absorber e.
The top of the absorber e is connected by a pipe e1 to the upper end of a tubular coil n arranged in the evaporator L and the lower end of which opens out at the bottom of the evaporator,
Above the coil n is an annular trough o in which the connection k2 delivers liquid refrigerant which, thanks to a weir o1 embraced by a wire mesh o2, flows onto the coil n.
Absorber ± and evaporator f are filled with a charge of inert gas, such as nitrogen, which is driven by a fan e2 and passes from absorber e, through pipe e1 and coil n , in the evaporator f. The inert gas is cooled by the refrigerator.
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manager which evaporates on coil n, before passing from this one into the lower end of the evaporator f.
The lower part of the evaporator f. is surrounded by a jacket p with which the interior of the evaporator communicates by a helical row of holes q. The jacket p communicates by a pipe r with an annular space formed between the wall of the absorber.
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beur to and a cylindrical partition disposed in this absorber. This annular space is closed at the top by the bottom of an annular trough t which is arranged at the upper part of the absorber e, but it is open at its lower end, so that it communicates with the interior of the cylindrical partition s.
In the absorber e, a tapered core of sheet metal iL constitutes an annular space surrounded by the cylindrical partition s, a space in which a tubular coil y, through which cooling water passes, is arranged at the bottom. below the trough t. The trough 1 is internally limited by an annular weir t1 on which overlaps a wire mesh wick t2 over which the poor liquor flows which is thus distributed over the tubular coil v.
Evaporation takes place at the lower end of the evaporator f. where the inert gas is brought, in the precooled state, by the tubular eerpentin n, under the minimum partial pressure, and, consequently, at the minimum temperature. Evaporation proceeds from bottom to top under progressively increasing partial pressure, and therefore at progressively increasing temperatures, as the gas rises in the evaporator. Going up in the evaporator
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f, the mixture of inert gas and refrigerant vapor gradually passes through the holes q in the jacket p and, from there, directly to the absorber e.
The distance between successive holes q increases from the lower end to the upper end of the helical row, so that the mixture of inert gas and refrigerant leaves the evaporator at a rate such that the amount of refrigerant which evaporates is constant as the partial pressure and temperature increase,
At the upper end of the row of holes q, all or most of the inert gas has passed from evaporator f into jacket p, and evaporation continues by boiling at full pressure, and therefore at maximum temperature, in the evaporator section f. which is between the end of the row of troua q and the lower trough p.
At this point, excess cold is produced at the maximum temperature and is used as will be described later.
Between the two troughs 1. and o of evaporator f, evaporation also takes place under total pressure and at maximum temperature and, as described above, is used to pre-cool the lean liquor of the coil m and liquid refrigerant from coil j. w designates two tubular coils whose turns are interposed between those of the inert gas coil n extending downwardly below the lower trough o in the evaporator f.
The fluid to be cooled, such as nitrogen in an oxygen production plant, is led in parallel from top to bottom
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in the two tube coils W, so that it is cooled by the refrigerant which evaporates in the evaporator below the lower trough. 20
The total pressure prevailing in the evaporator is kept low, for example at 2 atm. (absolute), so that the maximum evaporation temperature of ammonia is lower than the atmospheric temperature, i.e., by 2 atm. absolute pressure, at -20 0.
The fluid (nitrogen) must however be cooled from atmospheric temperature, for example from + 20 C to -19 C, before being cooled by the refrigerant which evaporates at a temperature scale below. range of partial pressures prevailing in the lower portion - crossed by the gas from the evaporator. The first part of the cooling is carried out using the excess cold produced, as described above, at the maximum evaporation temperature under total pressure.
The evaporated refrigerant which has not been entered by the inert gas escaping through the holes q passes, if necessary, with the inert gas remaining, from the top of the evaporator f. in the upper part of the absorber e, by the pipe f1 connecting the absorber and the evaporator. The resistance offered to the flow in this pipe f1, for example because of its small internal cross-section, causes in the evaporator f. a slight excess of pressure which favors the escape of the inert gas through the holes q.
Liquid refrigerant which may not have been evaporated is transferred through a drain pipe x from the bottom of the evaporator f. in a jacket 1. surrounding the gl rich liquor pipe. Some of the refrigerant boils in this jacket and the
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The vapor thus produced raises the rest of the liquid refrigerant inside a pipe z and feeds it into the lower part of the absorber e, where it mixes with and is absorbed by the rich liquor. x1 designates a check valve mounted on pipe x.
The cooling of the rich liquor, effected by the refrigerant contained in the jacket y, decreases the risk that Inspiration from the pump g will cause this liquor to evaporate.
The inert gas does not work to equalize the pressure in all parts of the machine. The pressure prevailing in the boiler and the condenser is greater than that prevailing in the absorber and the evaporator. and the rich liquor is brought to the pressure of the boiler by the pump g. For example, with ammonia, an absolute pressure of 9 atm is required. in the boiler and the condenser to carry out the condensation with cooling water at 20 C.
The modified diffusion refrigeration machine construction shown in Figure 4 is intended to be used in cascade with that of Figures 1 to 3 to expand the temperature range downward, for example to a minimum of -100 Ce For this purpose, a refrigerant such as ethane and an absorption liquid such as butane, or toluol, or a refrigerant such as ethylene with dichlorethylene as the absorbent, not freezing at the minimum temperature are used. - his.
Likewise, as is usually done in cascade refrigeration, a volatile liquid refrigerant such as ammonia from the refrigeration machine with the highest temperature is used.
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for cooling to the condensing temperature below atmospheric temperature - the refrigerant, such as ethane, of the refrigerating machine with the lowest temperature, as well as for cooling the absorber.
However, the machine can be used as an independent refrigerating machine with refrigerant condensing at atmospheric temperature. a is the boiler in which the liquor is heated by water vapor generated in a chamber a2 by a gas burner b. he is the rectifier. d is the condenser, cooled by ammonia which evaporates in a pipe 1.
Evaporator 1 :. overcomes the absorber e, to which it is connected by a tubular neck 2. In this neck 2, the cold mixture of inert gas and refrigerant descends from the evaporator in countercurrent and in a heat exchange relation a .with inert gas which rises through
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pipes 3 from the abso rbeur, to the evaporator L, after its refrigerant content has been removed.
The liquid refrigerant passes through a pipe il into a refrigerating coil j contained in the evaporator f and from there, through a pipe ± fitted with an expansion valve k5, into an annular trough o provided in the upper part of the evaporator f ..
The refrigerant passes over a weir o1 and descends through a wick o2 on the tubular coils j and E in which the liquid refrigerant and an external fluid are respectively subjected to pre-cooling and cooled,
A cylindrical partition 4 closed at its end "
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The upper tee rises from the neck 2. This partition is pierced by a helical row of holes q through which the mixture of inert gas and refrigerant vapor progressively leaves the annular space in which takes place. evaporation of the descending refrigerant.
This progressive escape of the gas mixture is calculated in such a way as to make the production appreciably uniform (the cold created at the various points of the scale of the partial pressures and increasing temperatures inside the evaporator. As has been said previously .
Below the holes q, the refrigerant boils under full pressure, and the vapor enters the neck 2 through holes 5 of the partition 4.
The mixture of inert gas and refrigerant goes to the lower end of the absorber s. passing along and inside a cylindrical partition 6 descending from the neck 2.
The lean liquor is transferred inside an annular trough t situated at the top of the annular space surrounding the cylindrical partition 6 of the absorber ±. This poor liquor passes over a spillway t1 lined with a wick t2 which brings this liquor to a refrigerant coil v in which a refrigerant liquid such as liquid ammonia passes, in the case of a machine in cooling water cascade, if it is an independent machine.
The liquor enriched by the absorption of refrigerant from the gas mixture passes through a pipe gl to a pump g which delivers it through the outer tube h of a double coil heat exchanger into a pipe hl which l 'brings to the boiler a.
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A diffusion refrigeration machine such as that described above and in which, for example, a temperature scale ranging from -30 to -60 C is obtained, can be used economically to separate benzol from coke oven gases and gases. analogues by the liquefaction of benzol, toluol and other liquefiable products which the gas contains and which are liquefiable at these temperatures.
Before admitting the coke oven gas to the upper end of the evaporator coil W, Figure 2, it is pre-cooled by making it rise through the tubes of a tubular heat exchanger in which the oven gas to coke which has already passed
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in the serl) entiii 1 goes down in counter current around the tubes of this exchanger. This not only has the effect of cooling the gas beforehand to a temperature of -5 to -15 (the temperature depending on the water content of the gas) , but also to eliminate, by condensing it, the vapor it contains.
By streaming from top to bottom on the internal surface of the heat exchanger performing the pre-cooling, the condensed water carries away the mothballs by a washing action and thus prevents it from adhering to the walls of the tubes.
Condensed water collects at the bottom of the heat exchanger and is removed from there.
Two heat exchangers which are alternately cooled by the gas arriving from the evaporator coil are preferably provided for carrying out the pre-cooling. Using two-way valves, the fresh coke oven gas, at atmospheric temperature, is first passed through the gas.
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heat exchangers which, at the moment envisaged, is not being cooled by the gas returning from the evaporator coil, then it is passed through the other heat exchanger which is being cooled by the gas returning from said exchanger.
The fresh gas arriving at atmospheric temperature thaws the water which the temporarily uncooled heat exchanger is likely to contain and which may have been frozen as snow while this heat exchanger was previously cooled by the return gas.
The benzol, the toluol and the other products liquefied in the coil 'IL are collected by a closed collecting tank receiving the drain of the ser pentin and are withdrawn from this collector.
To prevent products from freezing and attaching to the evaporator coil, liquid toluol can be introduced into the upper end of this coil, which does not freeze until its temperature has been reduced to approximately -95, so that it liquid dissolves the products thus likely to freeze and eliminates them by a washing action.