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L'invention concerne un type perfectionné d'évaporateur à faisceau tubulaire vertical pour la production du froido
On connait un'évaporateur pour la production du froid, dans lequel le liquide frigorigène s'élève dans un faisceau de tubes verticaux, autour des- quels circule la saumure ou le fluide à refroidir.
Dans cet appareil, toute la surface intérieure des tubes est mouillée, ce qui améliore les échanges thermiques à travers leurs parois, mais accroît par contre la quantité de liquide non vaporisé qui est entraînée sous forme de goutte- lettes par la vapeur sortant de la partie supérieure du faisceau tubulaire. C'est pourquoi ce type d'évaporateur est surmonté d'un dôme sécheur de 1 à 3 mètres de hauteur, dans lequel les gouttelettes du liquide finissent par perdre leur vi= tesse ascendante, pour retomber ensuite dans un collecteur central descendant, qui amène ce liquide à la partie inférieure du faisceau tubulaire.
D'autre part, la séparation et la récupération de l'huile entraînée par le liquide frigorigène lors de son passage dans le compresseur ne sont réali- sées dans cet évaporateur que si le liquide frigorigène utilisé est peu ou pas miscible à l'huile de graissage, comme c'est le cas pour l'ammoniac; en effet, l'huile se dépose alors par décantation à la partie inférieure de l'évaporateur, où on la récupère par des purges périodiqueso
Au contraire, dans le cas où l'on utilise un liquide frigorigène, tel que le fréon, où l'huile est miscible en toute proportions, celle-ci, au lieu de se déposer à la partie inférieure de l'évaporateur reste mélangée dans le li- quide sui s'élève dans le faisceau tubulaire, ainsi que dans les gouttelettes qui sont entraînées par la vapeur sortant de la partie supérieure dudit faisceau.
Le séchage de cette vapeur humide par un dispositif tel qu'un dôme sécheur, qui ramène les gouttelettes entraînées dans le liquide alimentant la partie inférieure du faisceau tubulaire, aurait donc pour effet, dans ce cas, un accroissement continu du pourcentage de l'huile mélangée à ce liquide, dont la viscosité aug- menterait corrélativement, produisant une réduction des échanges calorifiques dans le faisceau, en même temps qu'un abaissement du rendement de la machine;
c'est pourquoi le séchage de la vapeur humide produite par un évaporateur à fréon de ce type connu est réalisé généralement dans un échangeur de température dis- tinct de l'évaporateur, et où cette vapeur humide circule en contre-courant, soit de la saumure ou du fluide à refroidir, soit du liquide frigorigène avant son entrée dans l'évaporateur:l'un ou l'autre "réchauffe" ladite vapeur humide, provoquant la vaporisation des gouttelettes qu'elle entraîne; l'huile qui était mélangée à ces gouttelettes est ensuite entraînée vers le compresseur par la vapeur sèche, à condition que la vitesse de celle-ci dépasse 5m./s.
Cette méthode permet de maintenir constants la teneur en huile du fréon liquide et le rendement de l'installation frigorifique ; elle nécessite ce- pendant un appareil indépendant de l'évaporateur, chacun d'eux étant éventuelle- ment alimenté par un circuit de saumure ou de fluide à refroidir qui lui est pro- pre ; c'est donc une méthode coûteuse, et dont le bilan calorifique est assez mau- vais.
L'évaporateur qui fait l'objet de l'invention est du type mentionné ci-dessus, et il a pour but de remédier aux inconvénients signalés; il est carac- térisé en ce qu'il comporte, pour sécher la vapeur humide sortant de la partie supérieure du faisceau tubulaire, et pour éviter éventuellement le retour dans , le liquide frigorigène de l'huile qu'elle peut entraîner, un second faisceau de tubes verticaux, également baignés par la saumure ou le fluide à refroidir, et à travers lesquels cette vapeur est aspirée du haut vers le bas.
La suppression du dôme sécheur dans l'évaporateur conforme à l'inven- tion permet un gain de plusieurs mètres sur son encombrement en hauteur, ce qui est très intéressant dans de nombreuses applications, en particulier pour les installations de navires frigorifiques.
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Cet évaporateur perfectionné permet également l'emploi d'un liquide frigorigène tel que le fréon, sans qu'il soit nécessaire d'y adjoindre un échan- geur spécial pour sécher la vapeur, tout en évitant cependant que l'huile entraî- née se retourne dans le liquide frigorigène alimentant le faisceau tubulaireo Le bénéfice résultant de l'économie d'un appareil auxiliaire est encore accru par une amélioration du bilan calorifique de l'installation, due à ce que-la va- sation du liquide frigorigène et le séchage de la vapeur produite sont réa- lisés par un seul et même circuit de saumure ou de. fluide à refroidir.
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté schématique- ment au dessin annexé une forme de réalisation de l'évaporateur conforme à l'in- vention.
Les figures 1 et 2 du dessin annexé représentent schématiquement cette forme de réalisation en élévation et en plan, respectivement en coupe sui- vant les lignes I-I et II-II.
La figure 3 représente en coupe un élément de l'un des tubes du second faisceau descendant, comportant une gouttière ayant la forme d'une vis d'archimède.
La forme de réalisation de l'évaporateur vertical représenté en coupe aux figures 1 et 2 comporte tout d'abord les mêms éléments constitutifs que les évaporateurs verticaux connus : une enveloppe cylindrique 1, dont les deux extré- mités sont fermées par des plaques 2 et 3, dans lesquelles sont dudgeonnées les extrémités des tubes 4 du faisceau où s'élève le liquide à vaporiser; comme le montre la vue en plan de la figure 2, ces tubes sont disposés de préférence de façon régulière à l'intérieur d'un contour fermé, de préférence circulaire, dont le centre est occupé par un tube plus large 5, dans lequel le liquide frogorigène amené par la conduite 6 descend jusque dans un récipient 7, assujetti à la plaque 3, en dessous des extrémités inférieures des tubes 4 et 5.
La saumure ou le fluide à refroidir pénètre dans la partie inférieure de l'enveloppe 1 par la conduite 8, et en sort à la partie supérieure par la con- duite 9, après avoir circulé dans l'espace annulaire entre 1 et 5, à travers des chicanes destinées à le ralentir et à favoriser de ce fait les échanges calorifi- ques entre la saumure ou le fluide à refroidir qui lèche extérieurement les pa- rois des tubes 4, et le fluide frigorigène quis'élève dans ces mêmes tubes 40 Ces chicanes sont de préférence de type hélicoïdal, par exemple des anneaux plans 10, comportant chacun une échancrure en forme de secteur, et raccordés entre eux par des éléments verticaux au niveau des bords de leurs échancrures sectorielles, qui sont décalées les unes par rapport aux autres d'un angle constant,
comme indi- qué par le brevet français n 797.552 déposé par l'inventeur le 7 Mai 1935.
Conformément à la présente invention, un espace est ménagé entre la paroi de l'enveloppe 1 et le faisceau tubulaire 4; dans'cet intervalle est dispo- sé un second faisceau de tubas verticaux 11, dont les extrémités sont également dudgeonnées dans les plaques 2 et 3. Comme le montre la figure 2, les tubes de ce second faisceau sont. disposés de préférence les uns à côté des autres à proximi- té immédiate des tubes extérieurs du premier faisceau, de façon à constituer une couche de faible épaisseur enveloppant entièrement ce premier faisceauo
Les tubes 11 sont évidemment aussi baignés par la saumure ou le flui- de à refroidir arrivant par 8.
L'enveloppe 1 est surmontéè d'une cloche 12 assujettie à la plaque 2, et que traverse la tubulure 6 amenant le liquide ftigorigène; elle est de faible hauteur, et remplace le dôme-sécheur de plusieurs mètres de haut, dont sont pour- vus les évaporateurs verticaux connus.
La partie inférieure de l'enveloppe 1 est fermée par une seconde cloche 13, assujettie à la plaque 3, et qui comporte une tubulure 14 reliée au circuit d'aspiration de la vapeur.
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Le diamètre de base du récipient 7 étant inférieur à celui de la cloche 13, qui est sensiblement égal à celui de l'enveloppe 1, un espace annulaire 15 est ménagé entre 7 et 13, dans lequel débouchent les extrémités inférieures des tubes 11 du second faisceauo
Enfin, un dispositif déflecteur,du type de ceux décrits dans le bre- vet français n 1.1130751 déposé le 10 janvier 1950 par l'inventeur, peut être disposé au-dessus des extrémités supérieures des tubes 4 du premier faisceau.
Dans l'exemple de réalisation représenté, il s'agit d'un entonnoir 16, fixé au- dessus de l'extrémité supérieure du tube 5, et dont le bord libre supérieur est- surmonté d'une gouttière 17, disposée de façon à ménager avec lui un orifice an- nulaire étroit, qui dirige la vapeur perpendiculairement à l'axe de 1'enveloppe 1.
Le fonctionnement de cet évaporateur est le suivant:
Le liquide frigorigène arrivant par la conduite 6 descend par le tube 5 jusque dans le récipient 7, où il s'élève ensuite dans les tubes 4 du premier faisceau, dont il mouille la totalité des parois; la;saumure ou le fluide à re- froidir, qui arrive par 8 en véhiculant les calories qu'il a soustraites au cir- cuit d'utilisation, réchauffe le liquide frigorigène au fur et à mesure que ce dernier s'élève dans les tubes 4 ; une fraction importante de ce liquide frigori- gène est vaporisée à. la partie supérieure de ces tubes, d'où s'échappe, au-dessus de la plaque 2, une vapeur très humide, c'est-à-dire entraînant de nombreuses gouttelettes de fluide non vaporisé.
Un premier séchage de cette vapeur humide est produit par son passage à travers le déflecteur ; l'orifice annulaire étroit de celui-ci communique à cette vapeur et aux gouttes qu'elle entraîne, une vitesse radiale élevée en di- rection de l'axe de l'appareil; la détente de la vapeur à la sortie de cet ori- fice a pour effet de réduire la composante horizontale de la vitesse des molé- cules de cette vapeur, et d'y adjoindre une composante verticale ascendante im- portante, tandis que les gouttes de liquide conservent leur vitesse horizontale élevée, et acquièrent une composante verticale descendante, due à la pesanteur et à leur forte densité ; une partie de ces gouttes se séparent donc de la vapeur descendante pour tomber sur l'entonnoir 16, d'où elles font retour dans le réci- pient 7, par le tube 5.
La vapeur encore humide est ensuite aspirée hors de la cloche 12 par les extrémités supérieures des tubes 11, qui débouchent à peu près à la hauteur¯du bord libre de la gouttière 17. Cette disposition permet d'obtenir une alimentation uniforme de tous les tubes 11 du second faisceau, c'est-à-dire le passage dans chacun d'eux d'un même débit de vapeur, entraînant une même pro- portion de liquide non vaporisé, ce qui est indispensable pour l'obtention d'un rendement élevé de l'installation; si, en effet, les parties supérieures de ces tubes débouchaient seulement à la hauteur de la plaque 2, le liquide qui ruisselle sur la paroi intérieure de la cloche 12 et sur la face externe de la gouttière 17, en s'écoulant irrégulièrement dans lesdits tubes, s'opposerait à l'uniformité de leur fonctionnement.
Le dépassement des extrémités supérieures des tubes 11 au-dessus de la plaque 2 peut par exemple être obtenu aisément à l'aide de viroles 19 (voir figure 3), en tôle mince, emmanchées à force dans lesdits tubes.
Lorsque la vapeur encore humide circule à travers les tubes 11 du se- cond faisceau, les gouttelettes de liquide qu'elle entrane sont amenées au con- tact des parois de ces tubes par des chicanes, ou de préférence par une sorte de gouttière hélicoïdale, ayant la forme d'une vis d'Archimède, telle que celle re- présentée à la figure 3 (repère 18), et qui donne à la vitesse de ces gouttelettes une composante horizontale.
Cette mise en contact permet les échanges calorifiques entre les gouttelettes li- quides qui descendent avec la vapeur dans les tubes 11 et la saumure ou le liqui- de à:refroidir qui s'élève au contact de ces tubes à travers les chicanes en esca-
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lier 10.
La saumure ou le fluide à refroidir réchauffe ainsi les gouttelettes entraînées par la vapeur humide, et en provoque la vaporisationo C'est donc de la vapeur sèche qui parvient dans la chambre 15 limitée par la cloche 13 et le récipient 7, d'où elle est aspirée par la tubulure 14; l'alimentation en liquide frigorigène est assurée par un détendeur thermostatique.
Le niveau du liquide frigorigène dans le tube central 5, qui est in- diqué par la ligne II-II, s'établit spontanément à une hauteur critique, dépen- dant, pour chaque évaporateur, du régime des températures et du taux de vaporisa- tion.
Réciproquement, le maintien du niveau du liquide à une hauteur déter- minée appropriée, en particulier grâce à un régulateur automatique à flotteur, permet d'obtenir les conditions optima de fonctionnement de l'évaporateur.
Lorsque le liquide frigorigène utilisé présente vis-à-vis de l'huile de graissage du compresseur une miscibilité faible ou nulle, comme c'est le cas pour l'ammoniac, les fractions de cette huile qui sont entraînées par le liquide frigorigène se déposent simplement par gravité sur le fond du récipient 7, si bien que le liquide qui s'élève dans les tubes 4 ainsi que les gouttelettes liqui- des qui sont entraînées par la vapeur dans la cloche 12, ne contiennent pratiquer ment pas d'huile.
L'huile accumulée au fond de 7 est extraite par un tuyau de purge, 'qui débouche au point le plus bas 18 dudit récipient 7, et qui traverse par exem- ple la chambre d'aspiration de la vapeur entre 7 et 13. Une partie de l'huile ainsi récupérée peut être par exemple renvoyée ensuite dans le carter du compres- seur.
Au contraire, lorsque le liquide frigorigène présente vis à vis de l'huile de graissage du compresseur une miscibilité importante, comme c'est le cas pour le fréon, dans lequel l'huile est à peu près miscible en toute propor- tion ,les fractions de cette huile qui sont entraînées par le liquide frigori gène restent mélangées dans les gouttelettes de ce liquide que la vapeur entrai- ne hors du faisceau tubulaire 4; une faible partie de cette huile fait retour dans le récipient 7 avec les gouttelettes dans lesquelles elle est mélangée, et qui sont arrêtées par le déflectéur 16, 17;
mais tout le reste de cette -huile, après la vaporisation dans les;tubes 11 du second faisceau des gouttelettes de liquide frigorigène qui la véhiculent, est entraîné par la vapeur sèche dans la chambre 15, puis par la conduite 14, où la vitesse de cette vapeur dépasse 5 m/s.
Cette huile est donc ramenée par la vépeur sèche dans le carter du compresseur, où elle vient compenser en partie les précédentes pertes d'huile, dues à l'entraînement par le liquide frigorigèneo
REVENDICATIONS.
Ayant ainsi décrit mon invention et me réservant d'y apporter tous perfectionnements ou modifications qui me paraitraient nécessaires, je revendi que comme ma propriété exclusive et privative:
1. Evaporateurs dans lequel le liquide frigorigène s'élève dans un faisceau de tubes verticaux, autour desquels circule la saumure ou le fluide à refroidir, caractérisé en ce qu'il comporte, pour sécher la vapeur humide sortant de la partie supérieure du faisceau tubulaire, et pour éviter éventuellement le retour dans le liquide frigorigène de l'huile qu'elle peut entraîner, un second faisceau de tubes verticaux, également baignés par la saumure ou le fluide à re- froidir, et à travers lesquels cette vapeur est aspirée du haut vers le bas.
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