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Procédé et appareils de transmission calcrifique par surface.
La présente invention a pour objet un procédé et des appareils de transmission calorifique par surface, cette transmission intervenant dans des opérations telles que: condensation, évaporation, absorption, résorption, dégazage, déphlegmation, réchauffage et refroidissement de liquides, gaz et vapeurs.
On sait que deux facteurs principaux influent essen- tiellement sur le prix des appareils de transmission calori- fique; d'une part, le coefficient de transmission, d'autre part, le volume de ces appareils. En effet, la surface offerte au pas- sage de la chaleur peut être d'autant plus réduite que le coef- ficient de transmission est plus grand, et l'enveloppe cylin- drique, souvent soumise à une pression doit avoir @ une épaisseur proportionnelle à son diamètse.
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La présente invention a pour but d'assurer un prix rela- tivement bas des appareils de transmission calorifique, grâce à des coefficients de tr ansmission élevés et à des volumes ré- duits d'appareils.
On sait que le principal obstacle au passage de la cha- leur, entre un fluide en mouvement et la paroi qu'il longe, est la couche limite d'écoulement laminaire qui se produit dans le voisinage immédiat de la paroi et dont l'existence ressort des travaux de ces dernières années sur l'écoulement des flui- des. L'épaisseur de la couche limite laminaire est d'autant plus réduite que la perte de charge admise pour l'écoulement est plus élevée.
Le procédé et les appareils suivant l'invention ont pour but d'utiliser cette perte de charge de la façon la plus ef- ficiente en vue d'obtenir un coefficient de transmission calo- rifique élevé.
A cet effet, ce procédé est caractérisé en ce que la sur- face de transmission calorifique est réalisée sous forme d'une double paroi à l'intérieur de laquelle circule un fluide-A et sur les faces externes de laquelle un liquide B ruisselle ver- ticalement sous l'action de la pesanteur.
Les dessins ci-joints montrent à titre purement exemplatif comment l'invention peut être réalisée en pratique.
La figure 1 est une vue schématique montrant le principe sur lequel est basé le procédé.
La figure 2 est une vue en coupe d'un appareil permettant la réalisation du procédé.
La figure 2A est relative à une variante d'exécution.
Les figures 3,4 et 5 sont des vues de détail.
Comme le montre la figure 1, dans le procédé suivant l'in- vention, un premier fluide A s'écoule entre deux parois verti- cales a et b, qui jouent le rôle de surfaces de transmission calorifique. Le fluide A est donc en contact avec les faces 1 et 2 des parois. Un liquide B s'écoule verticalement suivant les ;
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faces 3 et 4 des parois ; cet écoulement a la forme d'un film liquide qui ruisselle vers le bas sous l'action de la pesan- teur. Quelle que soit l'épaisseur du film liquide en ruisselle- ment sur les faces 3 et 4, la perte de charge de ce liquide, en écoulement permanent de régime, est toujours égale à un mètre de colonne de ce liquide par mètre de hauteur de paroi.
Cette perte de charge élevée permet de réduire à une valeur très mi- nime l'épaisseur de la couche limite laminaire correspondante.
D'autre part, la section de passage offerte au fluide A entre le; faces 1 et 2, est fonction de la distance entre ces faces. En réduisant cette distance dans la mesure voulue, on peut obte- nir une couche limite laminaire très mince le long des faces 1 et 2, et par le fait même, un bon coefficient de transmission calorifique entre le fluide A et le liquide B.
La figure 2 représente schématiquement et d'une manière non limitative un appareil de transmission calorifique suivant l'invention qui réalise, outre le principe exposé à la figure 1, un volume réduit.
Les parois a et b de la figure 1 sont réalisées sous for- me de tubes cylindriques verticaux coaxiaux, fixés à leurs ex- trémités, soit par mandrinage, soit par des bourrages, les tu- bes b l'étant dans des plaques de forme circulaire 5 et 5 1 et les tubes a dans des plaques 6-61 également de forme circulai- re. Ces plaques sont assemblées par des moyens connus à diffé- rents éléments de l'enveloppe extérieure 7 et à des couver- cles 71 et 72.
On forme ainsi, à l'intérieur de l'enveloppe 7, cinq chambres distinctes I, I', II, II' et III. Le fluide A est in- troduit dans une des chambres II ou II' par une tubulure 8 et évacué par une tubulure 81 raccordée à l'autre chambre.
Dans l'exemple représenté, l'introduction se fait dans la chambre II et la sortie de la chambre II', mais l'entrée pourrait évidemment avoir lieu par II' et la sortie par II.
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Une partie du liquide B est introduite en I par une tu- bulure 9 et est reprise dans la chambre I' en 91. L'autre par- tie du liquide B est introduite par une tubulure 10 dans le haut de la chambre III et est reprise en bas de celle-ci par la tubu- lure II.
Dans la chambre III est prévu un organe de distribution du film de liquide B le long de la surface extérieure des tubes a. Cet organe consiste simplement en une plaque distributrice 12 (fig. 3), percée de trous circulaires 13 d'un diamètre légè- rement supérieur au diamètre extérieur des tubes a. La diffé- rence de ces diamètres est calculée d'une manière connue de fa- çon à assurer le débit voulu du liquide B le long des tubes a pour une hauteur motrice arbitraire de ce liquide.
La figure 4 représente le détail des organes de distri- bution du film de liquide B le long de la surface intérieure des tubes b. Ces organes consistent en tronçons de tubes 14 ren- flés (en 15) à leur extrémité inférieure et percés de trous cy- lindriques 16. Les axes de ces trous 16 sont inclinés suivant un angle approprié par rapport au plan horizontal de façon que la vitesse du liquide qui les par cour t ait une composante diri- gée vers le bas ; d'autre part, la surface cylindrique de ces trous est tangente à la surface intérieure des tubes 14. Le nom- bre et le diamètre des trous 16 sont déterminés de manière à assurer le débit voulu de liquide B, pour une hauteur motrice arbitraire de ce liquide.
Les gaz ou les vapeurs, pouvant être produits (ou absor- bés) au sein du liquide B, peuvent être évacués (ou introduits) par une ouverture 17 pratiquée, dans l'exemple représenté, dans la chambre I mais pouvant l'être aussi dans l'une des chambres I' ou III. On peut aussi prévoir plusieurs de ces ouver tures.
Ces gaz ou vapeurs circulent avec le liquide B suivant le parcours b, I', 11, extérieur de a.
18 est une cheminée prévue dans la plaque 12 afin d'équi- librer les pressions de vapeur au-dessus du liquide dans le haut de III et en-dessous de la plaque 12.
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Ces vapeurs ou ces gaz peuvent aussi être introduits avec le liquide B dans la chambre III (fig. 2A) et/ou être évacuas de celle-ci avec le liquide B.
Dans ce cas, l'entièreté du liquide B pénètre en I et l'on prévoit des tubulures de communication 11-111 entre les chambres III et I et/ou les chambres III et I1.
Lorsque la transmission calorifique entre le fluide A et le liquide B n'est accompagnée d'aucun phénomène d'évaporation, de résorption, de condensation ou d'absorption du côté du li- quide B, les chambres I, I' et III peuvent être remplies d'un gaz, autant que possible insoluble dans le liquide B, et sous une pression appropriée. En particulier, lorsqu'on peut crain- dre des effets thermiques secondaires nuisibles telsque l'éva- poration du liquide B dans une partie des chambres I, I' ou III, suivie de recondensation dans une autre partie de ces chambres, on peut réduire sensiblement ces phénomènes nuisibles en main- tenant les chambres I, I' et III sous pression d'un gaz neutre et dense quelconque.
Lorsqu'un appareil suivant l'invention sert d'évaporateur, l'épaisseur du film de liquide B peut être renforcé sensible- ment par l'augmentation du débit de liquide B; de ce fait, la transmission calorifique peut être améliorée. Dans ce but, on fait recirculer un débit convenable de liquide B en reprenant celui-ci au bas de l'appareil et en le renvoyant vers les or- ganes de distribution. On fait donc en sorte que l'appareil soit alimenté par un débit pondéral de liquide supérieur au débit pondéral de vapeur produite. Cette recirculation nécessite l'in- tervention d'un appareil élévateur de liquide qui pourra être une pompe ou une trompe à jet de vapeur ou de liquide.
La trom- pe à jet de liquide sera normalement utilisée dans les machines frigorifiques ou pompes de chaleur dont l'évaporateur est réali- sé suivant l'invention, le liquide moteur étant le liquide sous pression venant du condenseur.
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Method and apparatus for heat transfer by surface.
The present invention relates to a method and apparatus for heat transmission by surface, this transmission taking place in operations such as: condensation, evaporation, absorption, resorption, degassing, dephlegmation, heating and cooling of liquids, gases and vapors.
We know that two main factors essentially influence the price of heat transmission apparatus; on the one hand, the transmission coefficient, on the other hand, the volume of these devices. In fact, the surface offered to the passage of heat can be all the more reduced as the transmission coefficient is greater, and the cylindrical casing, often subjected to a pressure, must have a proportional thickness. to its diameter.
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The object of the present invention is to ensure a relatively low price for heat transmission apparatuses, thanks to high transmission coefficients and to reduced volumes of apparatus.
We know that the main obstacle to the passage of heat, between a moving fluid and the wall it runs alongside, is the laminar flow boundary layer which occurs in the immediate vicinity of the wall and whose existence emerges from the work of recent years on the flow of fluids. The thickness of the laminar boundary layer is all the more reduced the higher the pressure drop allowed for the flow.
The object of the method and the apparatuses according to the invention is to use this pressure drop in the most efficient manner with a view to obtaining a high heat transmission coefficient.
To this end, this method is characterized in that the heat transmission surface is produced in the form of a double wall inside which circulates a fluid-A and on the external faces of which a liquid B flows towards - tically under the action of gravity.
The accompanying drawings show, by way of example, how the invention can be carried out in practice.
FIG. 1 is a schematic view showing the principle on which the method is based.
Figure 2 is a sectional view of an apparatus for carrying out the method.
FIG. 2A relates to an alternative embodiment.
Figures 3, 4 and 5 are detail views.
As shown in Figure 1, in the process according to the invention, a first fluid A flows between two vertical walls a and b, which act as heat transfer surfaces. The fluid A is therefore in contact with the faces 1 and 2 of the walls. A liquid B flows vertically along the;
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faces 3 and 4 of the walls; this flow takes the form of a liquid film which trickles downwards under the action of gravity. Whatever the thickness of the liquid film flowing over faces 3 and 4, the pressure drop of this liquid, in steady-state flow, is always equal to one meter of column of this liquid per meter of height of wall.
This high pressure drop makes it possible to reduce the thickness of the corresponding laminar boundary layer to a very small value.
On the other hand, the passage section offered to the fluid A between the; faces 1 and 2, is a function of the distance between these faces. By reducing this distance to the desired extent, a very thin laminar boundary layer can be obtained along faces 1 and 2, and thereby a good heat transfer coefficient between fluid A and liquid B.
FIG. 2 shows schematically and in a nonlimiting manner a heat transmission apparatus according to the invention which produces, in addition to the principle set out in FIG. 1, a reduced volume.
The walls a and b in FIG. 1 are made in the form of coaxial vertical cylindrical tubes, fixed at their ends, either by mandrelling or by packing, the tubes b being in plates of the form circular 5 and 51 and the tubes a in plates 6-61 also of circular shape. These plates are assembled by known means to various elements of the outer casing 7 and to covers 71 and 72.
Five separate chambers I, I ', II, II' and III are thus formed inside the casing 7. The fluid A is introduced into one of the chambers II or II 'through a pipe 8 and discharged through a pipe 81 connected to the other chamber.
In the example shown, the introduction takes place in chamber II and the exit from chamber II ', but the entry could obviously take place through II' and exit through II.
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Part of the liquid B is introduced at I through a tube 9 and is taken up in the chamber I 'at 91. The other part of the liquid B is introduced through a tube 10 in the top of the chamber III and is taken at the bottom of the latter by tubing II.
In chamber III is provided a member for distributing the film of liquid B along the outer surface of the tubes a. This member simply consists of a distributor plate 12 (FIG. 3), pierced with circular holes 13 with a diameter slightly greater than the outside diameter of the tubes a. The difference in these diameters is calculated in a known manner so as to ensure the desired flow rate of the liquid B along the tubes a for an arbitrary driving height of this liquid.
FIG. 4 shows the detail of the members for distributing the film of liquid B along the inner surface of the tubes b. These members consist of sections of tubes 14 swelled (at 15) at their lower end and pierced with cylindrical holes 16. The axes of these holes 16 are inclined at an appropriate angle with respect to the horizontal plane so that the speed of the liquid which by course has a component directed downwards; on the other hand, the cylindrical surface of these holes is tangent to the internal surface of the tubes 14. The number and the diameter of the holes 16 are determined so as to ensure the desired flow rate of liquid B, for an arbitrary driving height of this liquid.
The gases or vapors, which can be produced (or absorbed) within the liquid B, can be discharged (or introduced) through an opening 17 made, in the example shown, in the chamber I but can also be discharged. in one of the rooms I 'or III. Several of these openings can also be provided.
These gases or vapors circulate with the liquid B following the path b, I ', 11, outside of a.
18 is a chimney provided in plate 12 to balance the vapor pressures above the liquid at the top of III and below plate 12.
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These vapors or gases can also be introduced with liquid B into chamber III (fig. 2A) and / or be evacuated therefrom with liquid B.
In this case, all of the liquid B penetrates at I and there are communication pipes 11-111 between the chambers III and I and / or the chambers III and I1.
When the heat transfer between the fluid A and the liquid B is not accompanied by any phenomenon of evaporation, resorption, condensation or absorption on the side of the liquid B, the chambers I, I 'and III can be filled with a gas, as far as possible insoluble in liquid B, and under an appropriate pressure. In particular, when harmful secondary thermal effects such as evaporation of liquid B in one part of chambers I, I 'or III, followed by recondensation in another part of these chambers, can be feared, it is possible to reduce substantially these harmful phenomena by maintaining chambers I, I 'and III under pressure of any neutral and dense gas.
When an apparatus according to the invention serves as an evaporator, the thickness of the film of liquid B can be substantially increased by increasing the flow rate of liquid B; therefore, the heat transmission can be improved. For this purpose, a suitable flow of liquid B is recirculated by taking it up from the bottom of the apparatus and returning it to the distribution organs. It is therefore ensured that the device is supplied with a weight flow rate of liquid greater than the weight flow rate of vapor produced. This recirculation requires the intervention of a liquid lifting device which may be a pump or a pump with a vapor or liquid jet.
The liquid jet nozzle will normally be used in refrigeration machines or heat pumps of which the evaporator is made according to the invention, the driving liquid being the liquid under pressure coming from the condenser.