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Giovanni BIANCHI ---------------- Machine frigorifique d'absorption
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L'objet de la présente invention est formé par une machine frigorifique à système d'absorption, à cycle con- tinu, du type utilisant en qualité de gaz compensateur des pressions entre le condenseur et l'évaporateur, un fluide intermédiaire (de préférence l'hydrogène) qui pré- sente à l'égard des autres machines de ce genre jusqu'ici connues, une série d'avantages qui la rendent particulière- ment appropriée au but que l'on se propose d'atteindre.
Les avantages de la machine selon l'invention consis- tent principalement dans :
1) Amélioration de la rectification et de la condensa- tion du gaz (NH3) provenant de la pompe à thermosiphon et de la chaudière;
2) Amélioration de l'échange de chaleur entre le gaz froid provenant de l'évaporateur (mélange de NH3 avec gaz compensateur) et le gaz provenant de l'absorbeur par élimi- nation des condensations de l'eau sur les parois extérieures de l'échangeur et des conduites portant le mélange des gaz froids provenant de l'évaporateur ;
3) Amélioration de l'absorbeur de l'NH3, vaporisé par le mélange pauvre moyennant l'exploitation du réservoir du mélan- ge riche, comme finale de l'absorbeur.
Selon la présente invention, les améliorations de la rectification et de la condensation du gaz provenant de la
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pompe à thermosiphon et de la chaudière, sont obtenues en éliminant du gaz même, se composant d'NH3 et de vapeur d'eau (cette dernière dans une quantité qui dépend de la température aussi bien que de la pression à laquelle la distillation a lieu), en même temps que de la concentration de la solution ammoniacale, la plus grande quantité d'eau possible, avant que le gaz n'atteigne le condenseur.
A cet effet, le refroidissement seul ne saurait être suf- fisant, puisqu'il est à craindre, non seulement le phénomène du sous-refroidissement de la vapeur d'eau, mais encore l'entraînement de parcelles d'eau infiniment menues par l'NH3. Il sera de ce fait nécessaire d'adopter, outre le refroidissement, un système capable d'exclure lesphénomènes du sous-refroidissement et de l'entraînement des parcelles d'eau susdites.
La fig. 1 montre d'une façon explicative, mais point limitative, la manière d'obtenir la solution du problème présenté par l'invention : les gaz provenant de la distilla- tion pénètrent dans la chemise annulaire formée par les tu- yaux 1 et 2: sur le tuyau 2 s'enroule la spirale 3, qui va toucher la paroi intérieure du tuyau 1, de manière à forcer le gaz à un parcours hélicoïdal dans la conduite formée par la spirale et par les deux tuyaux 1 et 2.
L'invention dont il s'agit, peut être réalisée égale- ment en supprimant le tuyau intérieur 2, si la surface exté- rieure du tuyau 1 devait être calculée de manière à produire le refroidissement recherché par l'exclusion de la surface intérieure du 2. Dans ce cas, l'hélice sera soutenue par un noyau disposé à l'irtérieur du tuyau 1. Cette hélice pourra parcourir, partiellement ou entièrement, le tuyau 1, et cela tout aussi bien dans le cas de présence ou d'absence du tuyau 2.
En parcourant - comme nous venons de le dire - un chemin hélicoïdal, le gaz sera forcé à changer continuellement de
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dire ction et par conséquent, il devra subir des chocs centre les parois de la conduite, ce qui écartera le danger du sous-refroidissement, étant donné, en ce cas, la possibilité d'une condensation sur les parois de la conduite, précisément à cause des chocs continuels déri- vant du mouvement impétueux du gaz ; en outre, les parcelles d'eau ne seront point entraînées, étant donné qu'elles adhèrent, pour la même raison, aux parois de la conduite.
L'eau de condensation qui vient de se former peut alors retourner à la chaudière. Les surfaces des tuyaux 1 et ? (en supposant que ce dernier soit présent) seront calculées de manière à présenter, au moment de leur entrée dans le condenseur, une température la plus basse possible (c'est-à- dire une température de quelque peu supérieure à la tempéra- ture de condensation de l'NH3), et cela afin de permettre la condensation de la plus grande quantité de vapeur d'eau possible.
Le parcours hélicoïdal offre, en outre, l'avantage de rendre uniforme la température des gaz, en raison du for- midable remûment qui vient de se produire, contrairement à ce qui arrive par l'emploi d'un eutre type de conduite, dans lequel un mouvement plus ordonné (régulier) donnerait lieu à la formation de stratifications à différentes températures, bien plus considérables à l'intérieur qu'à l'extérieur, c'est- à-dire dans la zone se trouvant en contact avec les parois de la conduite.
Le rectificateur ayant été conçu de la manière sus-exposée, il exerce en même temps l'office d'un poumon gazeux, étant chargé d'éviter, lors de la condensation, la formation de tour- billons ou l'expulsion du liquide dans la partie finale du condenseur. La condensation a de ce fait lieu d'une façon parfaitement régulière; il en est de même en ce qui concerne la décharge du condenseur dans l'évaporateur à l'égard de l'action stabilisante du poumon gazeux, constitué par le rec-
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tificateur. Ce dernier absorbe, en outre, les irrégularités d'introduction de l'NH3 dans la pompe et dans la chaudière, puisqu'il fournit au condenseur un courant régulier et continu de gaz à condenser.
Quant à l'amélioration de l'échange de chaleur entre le gaz froid, provenant de l'évaporateur et le gaz qui provient de l'absorbeur, les difficultés à surmonter pour réaliser l' échange de chaleur entre le gaz chaud de compensation et le mélange gazeux froid, sunt assez connues, et de la même façon sont connus les inconvénients présentés par les types normaux d'échangeurs.
En effet, à l'exclusion des difficultés s'oppo- sant à la réalisation d'une grande surface d'échange de la chaleur et d'une subdivision du courant gazeux en plusieurs petites conduites, les solutions adoptées jusqu'ici sont désa- vantagées par les inconvénients suivants : a) le gaz chaud passe dans la partie extérieure de l'é- changeur de la chaleur dans le but d'éviter des condensations d'humidité dans le trait de l'échangeur qui traverse l'isolant de l'armoire glacière, et dans le trait se trouvant en contact avec l'atmosphère; dans ce cas, le gaz chaud en se refroidis- sant pendant son passage dans la loge aux dépens du froid pr o- duit par l'évaporation, ne réchauffera plus que faiblement le mélange gazeux froid, ce qui aura pour conséquence un rendement amoindri de l'appareil.
De plus, on ne parvient pas à détour- ner le danger d'une condensation sur les parois extérieures des tuyaux, en tant que le mélange, trop froid à sa sortie, pour les raisons sus-exposées, parvient à faire condenser de l'humi- dité sur les parois du tuyau conduisant à l'absorbeur. Les sys tèmes proposés d'entourer les conduites d'un revêtissement iso- lant, se sont montrés dans l'application pratique, parfaitement inefficaces. b) Le gaz froid passe dans la partie extérieure de l'é- changeur. En ce cas, on n'a point de soustraction de froid
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à la loge, mais on déplore par contre le désavantage que, le gaz froid, sortant de la loge à une température presque égale à celle de la loge même, il se présente encore le danger de la condensation d'humidité contre les parois de la conduite.
Afin d'éliminer cet inconvénient, on a adopté le système de renverser, en un point donné de l'échangeur, la position mutuelle des deux gaz échangeant la chaleur, c'est-à-dire que l'on porte le gaz chaud à l'extérieur et le gaz froid à l'intérieur. Il s'ensuit naturellement quel- ques difficultés constructives, qui ne sont pas trop négli- geables, et de plus un échange de chaleur dans la dernière partie de l'échangeur (la partie hors loge) en tant que, dans le but de ne point compliquer d'une manière excessive et parfaitement disproportionnée les difficultés construc- tives déjà existantes, les surfaces d'échange des gaz seront bien plus limitées et non pas subdivisées, contrairement à ce qui serait profitable.
La séparation de l'échangeur en deux parties, a pour effet non seulement une efficacité assez amoindrie de l'é- change même, mais encore une complication constructive bien supérieure.
Le dispositif échangeur selon la présente invention, est apte à résoudre tous ces problèmes, sans avoir recours à des palliatifs et d'autant moins ?ides constructions diffi- ciles et laborieuses exigées par une nouvelle solution, puisqu'il permet aux gaz de suivre des conduites uniques, sans exiger des renversements et permettant l'élimination de tout danger de condensation, en faisant affluer en même temps le mélange froid à une température presque analogue à la température ambiante, sans soustraire du froid à la loge et en refroidissant de manière énergique l'ammoniaque liquide.
Dans la fig. 2, l'échangeur de chaleur des gaz selon
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l'invention est représentée purement à titre d'exemple et non d'une manière limitative. Le mélange froid pro- venant de l'évaporateur, parcourt la chemise extérieure constituée par le tuyau extérieur 4 et la conduite 5 (in- trieure), ayant une forme spéciale (préférablement et selon la figure à section étoilée), afin de permettre la réalisa- tion d'une plus grande surface d'échange de la chaleur, et afin de subdiviser le courant gazeux en plusieurs courants à section amoindrie (canaux à sections triangulaires "a" dans la fig. 2), dans le but d'obtenir un échange de cha- leur plus efficace.
A cet effet, un tuyau 6 passe à l'in- térieur de la conduite de forme spéciale 5, dans lequel il est possible de faire dévier une partie du mélange froid; ce tuyau pourrait éventuellement être fermé à ses deux extrémités. Entre le tuyau 6 et le tuyau 5, passe le courant gazeux chaud du gaz compensateur, provenant du dispositif d'absorption à travers le tuyau 7: le tuyau 6 a en même temps pour fonction de subdiviser le courant gazeux chaud en plusieurs courants qui parcourent des conduites à section plus petite, dans le but d'éviter d'activer l'échan- ge de la chaleur d'une manière plus profitable. A un moment donné, le tuyau 4 est revêtu par le tuyau 8 et dans l'espace libre entre le tuyau 4.- et le tuyau 8. passe l'NH3 liquide, provenant du condenseur à travers le tuyau 9.
L'échangeur est pourvu du tuyau d'équilibrage 10 et du tuyau de vidange pour le liquide 11. Un examen du fonctionnement du dispo- sitif susdit, permettra de relever que celui-ci, tout en écartant le danger d'une condensation contre les parois des conduites, a l'avantage de.produire un très grand rendement en ce qui concerne l'échange de la chaleur, étant donné qu'il permet une subdivision particulièrement poussée des courants gazeux, grâce à la création de grandes surfaces d'échange thermique.
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Quant à l'élimination du danger de condensation contre les parois des conduites dans la partie finale de l'échangeur, il existe - comme nous l'avons précédement énoncé - une chemise extérieure entre les tuyaux 4 et 8, qui est parcourue par l'ammoniaque liquide provenant du condenseur, à une tempé- rature supérieure de la environ à la température ambiante.
Cette chemise, relativement chaude, empêche la formation de condensations sur la paroi extérieure de l'échangeur et rechauf- fe en même temps le mélange du côté extérieur, tandis que, du côté intérieur, le mélange est toujours rechauffé par le gaz chaud provenant du dispositif d'absorption. Ainsi qu'on le voit, dans cette phase finale de l'échange, l'échange de chaleur même en résulte plus activé, contrairement à ce qui a lieu peur les autres types d'échangeurs. De plus, le réchauffement du mélange froid est utilisé pour le refroidissement de l'NH3 li- quide afin de l'introduire dans la loge à une température à peu près égale à celle de la loge même, sans pourtant soustrai- re du froid à la loge et sans diminution conséquente du rende- ment.
Le haut degré dans l'échange de chaleur s'obtient lorsque le mélange froid, en passant à l'extérieur de l'échangeur, est à même de fournir des refroidissements à la loge, jusqu'au point d'égaliser la température de celle-ci ; en procédant de cette manière, l'effet frigorifique est exploité au plus haut degré possible. Puisqu'il n'implique point de renversements des conduites gazeuses, l'échangeur offre,.sur toute sa lon- gueur, une égale surface d'échange, et, par conséquent un égal rendement pour chaque trait de parcours, contrairement à ce qui a lieu dans les échangeurs adoptant le renversement des conduites gazeuses. La présence de la chemise de l'NH3 liquide, pendant la phase finale, concourt au rechauffement du mélange gazeux pro- venant de l'évaporateur, jusqu'à atteindre une limite fort avantageuse.
Tout cela se résoud par un plus grand rendement de l'échangeur.
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La subdivision des courants gazeux et l'amplification des surfaces d'échange thermique, sont consenties par la forme tuut particulière de la conduite 5, ce qui pourtant n'oblige point, comme c'est le cas, au contraire, pour les échangeurs de type différent, d'avoir recours à des canalisa- tions compliquées ou encore à des faisceaux tubulaires avec l'emploi de collecteurs, etc., etc., de construction difficile.
..ussi la conduite 5 s'obtient au rnoyen d'un simple étirage, et permet un traitement analogue à celui nécessaire pour un tuyau ordinaire. La forme particulière qui, en général, est adoptée ,le préférence (section étoilée) présente une grande surface et une paroi tresmince -il existe effectivement nulle différence de pression appréciable aux effets de la résistance des matériauxentre les gaz affluant suit à l'extérieur soit à l'intérieur de la conduite 5 et par conséquent un échange de chaleur très actif entre les gaz. L'introduction d'un tuyau 6, outre qu'il offre les avantages sus-mentionnés, augmente aussi la surface d'échange.
Puur ce qui concerne enfin l'amélioration de l'absorption de l'NH3, il est assez connu que le réservoir de le solution riche, qui reçoit la solution ammoniacale provenant du dispo- sitif d'absorption, ne peut à son tour faire office d'absorber, en tant qu'il présente une surface liquide plutôt calme et exiguë, avec des possibilités de stratifications et en tant que la surface extérieure n'est pas à même d'opérer une dis- persion suffisante de la quantité de chaleur provenant d'un phénomène éventuel d'absorption.
Afin de pouvoir exploiter ledit réservoir en qualité de partie finale du dispositif d'absorption, il faut alors : a) donner une surface considérable d'absorption; b) opérer de manière que le liquide se trouve en mouvement; c) obtenir la dispersion de la chaleur d'absorption.
Tous ces problèmes viennent de trouver leur solution grâce au type de réservoir tout spécial que nous allons décrire et
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illustrer, sans aucun but limitatif, dans la fig. 3.
Dans cette figure, les deux collecteurs 11 et 12, ainsi que les tuyaux à grand diamètre 13, dans lesquels le liquide arrive jusqu'au niveau du milieu du tuyau, permettent la solution du problème concernant la possibi- lité d'offrir une grande surface d'absorption.
A son tour, la surface considérable des collecteurs 11 - 12, des tuyaux 13 et des tuyaux à plus petit diamètre 14, résoud le problème de la grande surface de refroidisse- ment.
Le liquide provenant du dispositif d'absorption entre en 15' par le tuyau 15 et sort en 16' au moyen du tuyau 16.
Par conséquent, le liquide entre dans le collecteur 11 et passe à travers les tuyaux 13 et 14 dans le collecteur 12, tuut en se refroidissant. Le mélange provenant de l'éva- porateur, entre dans le collecteur 12 à travers le tuyau 17, parcourt, en contre-courant avec le liquide, les tuyaux 13 et entre dans le collecteur 11 dont il sortira par le tuyau 15, c'est-à-dire par le même tuyau qui porte la solutio dans le réservoir. Le mouvement du liquide entre 11 et 12 et son refroidissement produisent un renouvellement continu de la surface d'absorption, et précisément ce qu'on avait recherché.
Dans la figure 4, toujours et purement à titre d'exemple, nuus présentons le schéma d'une machine frigorifique à système d'absorption, dans laquelle les dispositifs précédemment dé- crits ont été réunis. Dans cette machine, le gaz provenant de la distillation de la solution riche ammoniacale (distillation qui a lieu dans la pompe à thermosiphon 18 et dans la chaudière 19)au moyen de la chaleur fournie par la source de chaleur 20, entre par le tuyau 21 dans le poumon rectificateur 22 dont il sortira de la partie supérieure pour entrer dans le condenseur 23 d'où il passera dans le tuyau 24. pour entrer dans l'échan- geur 26 et se décharger ensuite dans l'êvaporteur 25 où il se vaporise en présence du gaz intermédiaire.
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Les vapeurs de l'NH3 entrent, avec le gaz intermédiaire, dans la chambre chemise extérieure de l'échangeur 26 en ab- sorbant la chaleur de la loge ainsi que du gaz compensateur passant à l'intérieur. L'échangeur présente,à la sortie de la loge, une chemise parcourue par l'ammoniaque liquide rela- tivement chaude, provenant du condensateur à travers les tu- yaux 24.
Le mélange gazeux, s'étant rechauffé jusqu'à rejoindre une température à peu près égale à la température ambiante (dans le but d'éviter des condensations sur les parois des conduites) descend dans le réservoir-absorbeur spécial 27 par le tuyau 28. Après avoir parcouru le réservoir 27, le mélange monte , tout en se réchauffant dans le dispositif d'absorption 29, en se débarrassant de l'NH3, qui sera absor- bé par la solution pauvre, provenant de la chaudière 19 à travers l'échangeur de chaleur des liquides 30 et de la con- duite 31 ;
lasolution coule dans le dispositif d'absorption vers le réservoir 27, en s'enrichissant graduellement de l' NH3 et complète l'absorption dans le réservoir même dont elle sortira par le tuyau 32 pour passer ensuite dans l'échangeur 30 dont elle sortira encore pour entrer dans la pompe 18 et dans la chaudière 19 afin de reprendre le circuit sus-dé- crit.
Après avoir parcouru le dispositif d'absorption 29, le mélange gazeux perd l'NH3, parcourt ensuite le tuyau 33 et entre dans la partie intérieure de l'échangeur en se refroi- dissant avant d'entrer dans l'évaporateur 25.
A l'entrée de l'échangeur, le mélange se compose presque exclusivement du gaz de compensation :il reste une petite quantitié de NH3, correspondante à la tension de vapeur de la solution pauvre et la quantité respective de vapeur d'eau qui va se condenser de suite pendant son passage dans l'échan- geur.
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IL va de soiqu'il est possible de réaliser diverses formes d'exécution pratique de l'invention, sans pour cela sortir du cadre de l'invention même; de sorte que, tout dispositif qui, tout en étant analogue au présent dispositif par sa con- ception constructive, mais en diffère seulement par quelques détails d'exécution, tombe sous la protection du présent bre- vet d'invention.
R E V E N D I C A T IONS --------------------------
1. Machine frigorifique à système d'absorption à cycle continu, caractérisée en ce qu'elle dispose pour la rectifi- cation, l'échange de chaleur entre les gaz et l'absorption de l'NH3, de dispositifs aptes à en améliorer les effets frigorifiques.