Dispositif échangeur de chaleur pour installations frigorifiques. La. présente invention a pour objet un dispositif échangeur de chaleur applicable, notamment, à une installation frigorifique à absorption, ce dispositif comportant une pa roi de canal dont le fond est incliné et. le long de laquelle un courant de liquide se déplace par l'action de la gravité. Il est destiné à mouiller la paroi de canal au-dessus du fond de celle-ci, afin d'intensifier l'échange de cha leur à travers cette paroi.
Dans le brevet suisse N 260708 de la de manderesse, on a décrit. et revendiqué un appareil comportant une paroi de canal au travers de laquelle la chaleur est échangée entre un fluide se trouvant d'un côté et un liquide se trouvant de l'autre côté, dans le but d'intensifier l'évaporation du liquide. La paroi n'est que partiellement immergée dans le liquide qui est élevé par capillarité dans le but de mouiller toute la partie de la, sui-face de la paroi située au-dessus du niveau du liquide.
Dans cet appareil connu, la paroi de ca nal présente, du côté en contact avec le li- cüûde qui s'écoule dans le fond, des rainures capillaires juxtaposées et en contact immé diat entre elles.
Suivant une forme d'exécution décrite dans ce brevet, la paroi tubulaire est utilisée comme évaporateur dans une installation fri gorifique à absorption au travers de laquelle le réfrigérant s'écoule .par effet de gravité. Le liquide réfrigérant s'élève dans les rai- nures capillaires et mouille toute la surface de la paroi située au-dessus du niveau du courant primaire de liquide, occupant le fond du tube.
Par ce moyen, la surface effective d'échange de chaleur de la paroi ainsi que l'importance du taux d'échange de chaleur sont augmentées. L'évaporation du réfrigé rant provoque son remplacement immédiat par du liquide provenant du fond du tube. Si le tube est utilisé comme absorbeur, le liquide absorbant s'élèvera le long des rai nures et mouillera toute la surface de la pa roi, augmentant, ainsi le taux d'échange de chaleur.
Toutefois, comme le tube est hori zontal, le liquide absorbant reste stagnant dans les rainures, ce qui limite la quantité de vapeur capable -d'être liquéfiée à la quantité qui est susceptible d'être absorbée avant que le liquide ne soit saturé, compte tenu des con ditions particulières dans lesquelles on tra- vaille à ce moment-là.
Dans le dispositif échangeur de chaleur pour installations frigorifiques qui fait l'ob jet de la présente invention, des moyens sont prévus pour amener du liquide à la partie supérieure de la paroi de canal, de façon que le liquide forme un courant se déplacant le long de ladite paroi sous l'action de la gra vité.
Ce dispositif est caractérisé par des rai nures capillaires ménagées le long de ladite paroi inclinée et s'étendant d'un niveau élevé jusqu'à un niveau inférieur, dans le but d'uti liser conjointemelit les forces de capillarité et de gravité pour provoquer un écoulement con tinu du liquide le long desdites rainures capil laires au-dessus du fond de la paroi, depuis ce niveau élevé jiLsqu'au niveau inférieur.
Suivant une forme d'exécution préférée de l'invention qui la distingue nettement du brevet suisse N 260708, le courant primaire de liquide occupant le fond de la paroi de canal, chaque rainure capillaire peut consti tuer un siphon ayant une branche ascendante dans laquelle le liquide est élevé par effet de la capillarité et une branche descendante le long de laquelle le liquide s'écoule à un niveau inférieur par effet de la gravité, afin de créer un écoulement auxiliaire continu le long de la paroi, au-dessus du niveau dudit cou rant primaire de liquide dans le fond de la paroi.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une forme et des variantes d'exé cution du dispositif objet de l'invention.
La fi-. 1 est une vae schématique d'une installation frigorifique à absorption com prenant des appareils échangeurs de chaleur conformes à l'objet de la présente invention.
La fig. 2 est une vue partielle en coupe d'un tube montré avec une seule rainure for mée dans sa paroi, afin d'illustrer la façon dont prend naissance l'écoulement continu de liquide par la combinaison de l'effet éléva teur par capillarité et de l'écoulement par effet de siphon le long du tube et au-dessus du niveau du courant primaire au fond du tube.
La fig. 3 est une figure similaire à la fig. 2, montrant un tube présentant une série de rainures juxtaposées, en contact immédiat les unes avec les autres, et ayant une forme hélicoïdale avec un canal périphérique capil laire d'amenée à chaque extrémité et une chi cane hélicoïdale à l'intérieur.
La fig. 4- est une vue similaire à la fig. 3 montrant, à chaque extrémité du tube, des moyens capillaires d'alimentation et de débit d'une variante de construction.
La fig. 5 est une vue d'un seul tube pré sentant des rainures capillaires ménagées dans sa paroi et recourbé entre ses extrémités, dans le but de pouvoir former une série de tronçons inclinés.
Le dispositif échangeur de chaleur repré senté ici est appliqué à une installation fri gorifique à absorption usuelle du type à trois fluides, comprenant un générateur 6, un con- denseur 7, un évaporateur 8, un échangeur de chaleur à gaz 9, un absorbeur 10 et un échangeur de chaleur à liquide 11 connecté pour assurer l'écoulement d'uin agent réfri gérant par effet de gravité,
d'un absorbant et d'in. gaz égalisateur de pression. Dans la forme d'exécution illustrée, le générateur 6 comporte des chambres séparées 12 et 13 pour la génération et l'élévation du liquide, avec un tube-foyer de chauffage 14 commun et disposé verticalement, qui les traverse de part en part. La chaleur peut être fournie au tube- foyer 14 par n'importe quelle source appro priée, telle qu'un brûleur à gaz 15 ou un autre dispositif similaire.
Un tube 16, destiné à la montée de la vapeur, s'élève verticalement. de la chambre 13 vers un tuyau vertical 17 rac cordé à l'extrémité supérieure de la chambre génératrice 12, et qui est lié à ladite généra trice en un point situé au-dessus du niveau x; du liquide. De l'extrémité supérieure du tuyau vertical 1.7 part un tuyau en col de cygne 18, pour la vapeur, et qui est connecté à la partie inférieure d'un analyseur 19 revê tant la forme d'épingle à cheveux.
La partie inférieure" de l'analyseur 19 est, reliée à la chambre de montée 13 par un conduit 20 et la partie supérieure de l'analyseur est reliée à l'orifice d'entrée du condenseur 7 au moyen d'un tuyau 21 pour la vapeur, ledit tuyau étant muni à son intérieur de chicanes recti- ficatrices 22.
Le condenseur 7 revêt la. forme d'un ser pentin vertical 23 muni d'ailettes 24. L'extré mité inférieure ou de sortie du serpentin 7 du condenseur est connectée à la partie supé rieure de l'évaporateur 8 au moyen d'un tuyau 25.
L'évaporateur 8 comprend un tronçon 26 à haute température ainsi qu'un tronçon 27 à basse température reliés en série entre eux, pour que l'agent réfrigérant. puisse s'écouler dans lesdits tronçons par effet de gravité. Le tronçon 26 à haute température revêt la forme d'épingle à cheveux, les tubes 28, munis d'ailettes 29 et inclinés, étant connectés entre eux. Le tronçon 27 à basse température est formé par une série de serpentins 30 dispo sés horizontalement dans le but de former des supports pour des bacs à glace ou autre accessoire similaire.
L'extrémité supérieure du tronçon 26 de l'évaporateur à haute tem pérature est connectée au passage intérieur 31 de l'échangeur de chaleur à gaz 9, tandis que l'extrémité inférieure du tronçon 27 à basse température est connectée à l'orifice de sortie 32 de l'échangeur de chaleur à gaz. L'échangeur de chaleur à gaz 9 est formé par deux tubes concentriques et munis de chica nes 33 et 34 dans le but de créer une turbu lence dans le gaz qui le traverse.
Un conduit 35 de trop-plein de l'agent réfrigérant, dépen dant du serpentin inférieur chi tronçon 27 à basse température de l'évaporateur 8, est re courbé dans le but de former une poche pour liquide, tandis que son extrémité libre pénè tre à l'intérieur du passage 31 de l'échangeur de chaleur à gaz.
Les extrémités inférieures des passages in térieur et extérieur 31. et 32 de l'échangeur 9 de chaleur à gaz sont connectées à la partie inférieure et à la partie supérieure de l'absor- beur 10, respectivement au moyen de conduits 36 et 37'.
L'absorbeur 10 est formé par un serpen tin disposé dans lin plan vertical; il est composé d'une série de tubes inclinés 38 connectés les uns aux autres en série, munis d'ailettes 38a sur chaque tube, et. à un pot absorbeur 39.
Le tronçon de tube le plus élevé 38 du ser pentin est incliné vers le bas depuis la droite vers la gauche, ainsi qu'il est montré à la fig. 1, tandis que les tronçons successifs de serpentins sont inclinés en divergeant, afin d'assurer un écoulement continu du liquide depuis le haut du serpentin vers sa partie inférieure. Un conduit 40 relie l'extrémité extérieure (à gauche) de la partie du tronçon supérieur du tube 38 à l'extrémité supérieure du tronçon suivant immédiatement (à droite) et ceci dans un. but qui sera indiqué plus loin.
La partie inférieure du tronçon le plus bas 38 et l'extrémité du conduit 36 sont con- ïiectées à la partie supérieure du pot absor- beur 39, au-dessus du niveau du liquide y. La partie inférieure du pot absorbeur 39 est connectée par un conduit 41 au passage exté rieur 42 de l'échangeur de chaleur à li quide 11.
L'échangeur de chaleur à liquide 1.1 est composé de tubes concentriques repliés en serpentin dans le but de former un espace ou passage extérieur 42 et un passage intérieur 43. L'extrémité opposée .du passage 42 est connectée à la partie supérieure de l'analyseur 19, au niveau- ou en dessous du niveau y du liquide, par un conduit 44.
Une des extrémi tés du passage intérieur 43 de l'échangeur de chaleur à liquide 11 est reliée à la chambre 12 du générateur 6, tandis que l'extrémité opposée est reliée à un serpentin réfrigérant 45 muni d'ailettes 46, lequel, à son tour, est connecté à l'extrémité supérieure (ou de droite) du tronçon supérieur 38 du serpen tin de l'absorbeur 10, au niveau, ou légère ment en dessous du niveau x 'du liquide.
Un récipient à pression 47 est connecté à son extrémité supérieure au tuyau 25, adja cent au condenseur 7, par un tuyau 48 et connecté à son extrémité inférieure au con- ditit 36 par un tuyau 49. Le récipient à pres sion 47 est destiné à accumuler une réserve de gaz pour l'égalisation de pression et dé biter automatiquement du gaz pour le mettre en circulation dans L'installation lorsqu'une augmentation de pression vient à se mani fester dans celle-ci.
Certains des éléments tels que l'évapora teur 8 et l'absorbeur 10 comprennent des pa rois d'échange de chaleur construites et amé nagées de telle façon qu'un écoulement capil laire de liquide se produit continuellement le long de leur surface au-dessus du niveau du courant primaire du liquide occupant le fond de la paroi de canal.
Les parois présentent une série de rainures adjacentes<B>-</B>de dimen sions capillaires au contact immédiat l'une de l'autre, ménagées dans la surface de la pa- roi et disposées de telle faon qu'elles utilisent les effets combinés de capillarité et de siphon. Chaque rainure comprend une branche s'éle vant à la partie supérieure de la paroi et dans laquelle le liquide est élevé par capillarité, et une branche descendante plus longue, dans laquelle le liquide est aspiré vers le bas par effet de siphon.
La construction de la paroi rainurée peut revêtir d'autres formes; elle comprend, dans la forme d'exécution représentée, les tubes 28 du tronçon à haute température 26 de l'éva porateur 8 et les tubes 38 de l'absorbeur 10. Chaque tube 28 ou 38 a une position inclinée par rapport à la direction horizontale, chacun présentant une série de longues rainures héli coïdales g adjacentes et au contact immédiat les unes des autres, ménagées dans leur face intérieure. Un liquide fourni à l'extrémité su périeure d'un tube s'écoulera sous forme de courant primaire le long du fond de ce der nier par effet de gravité,
tandis qu'une partie du liquide sera d'abord élevée dans chaque rainure au-dessus du niveau de ce courant primaire, par capillarité, puis sera propulsée plus loin le long de la rainure par effet de siphon. Dans le but de mieux illustrer et dé crire le phénomène, une partie d'un des tubes 28 ou 38, désigné ci-après par tube t, est représentée à la fig. 2, le montrant comme s'il avait une seule et unique rainure g, le tube étant incliné par rapport à la direction horizontale, dans le but de produire une chute h sur une longueur<I>p</I> égale au pas de la rai nure hélicoïdale.
Le liquide amené à l'extré mité inférieure de la rainure g à l'extrémité supérieure du tube t monte jusqu'au sommet de la rainure dans la branche montante a par effet de capillarité à une hauteur h1 qui est égale à la distance C, comprise entre la paroi supérieure du tube et.la paroi inférieure du- dit tube en direction verticale, diminuée d'une chute égale<I>à</I> 11L,, <I>h</I> provenant de l'inclinaison dti tube, soit<I>C-1/2 h.</I> Le filet de liquide con tinuera d'avancer le long de la branche des cendante d de la rainure ou bien au début,
un filet de liquide pourra être élevé suivant une direction F2 dans la partie descendante d jusqu'à ce que les filets de liquide dans les deux parties de la rainure viennent à se ren contrer. La colonne de liquide dans la partie descendante d de la rainure g a une hauteur 0 égale à C -!- 1/2 h.
Etant donné que les forces de capillarité existant dans les branches ascendante et descendante cc et<I>d</I> sont égales, et comme la hauteur<I>h2</I> du liquide en<I>d</I> est plus grande que la hauteur h1 du liquide en cc, il en résulte que, pour l'ensemble des deux parties a et d, la force de gravité (chute h2) aura un effet prépondérant qui produira, en définitive, un écoulement du liquide de la branche 'a dans la branche d de la rainure. Ainsi, la rainure g constitue un siphon amorcé automatiquement par effet de capillarité, pro voquant ainsi l'écoulement continu du liquide le long de la rainure et au-dessus du courant primaire du liquide occupant le fond du 'tube t.
Dans le but de mouiller la surface entière du tube t au-dessus du niveau du courant. pri maire de liquide, une série de ces rainures g sont ménagées dans la surface intérieure du tube t, adjacentes et aii contact immédiat les unes des autres, ainsi que cela est visible à la fig. 3. Dans cette forme d'exécution, le liquide est amené à l'extrémité supérieure du tube t, depuis le bas d'un autre tube placé au-dessus, mais non représenté. Le liquide s'écoule le long du tube t puis, par le coude 50, arrive dans l'extrémité supérieure du tube suivant, au-dessous de t.
Dans le but. d'utili ser toute la surface du tube t, un canal ann - laire capillaire 51 est ménagé à chaque extré mité du tube afin d'alimenter en liquide cha que rainure à l'extrémité supérieure du tube et de permettre l'écoulement de chaque rai nure à l'extrémité inférieure du tube. Une chicane 52, en forme d'hélice, est également montée dans le tube, cette chicane coopérant avec la rainure g afin de créer tin mouvement de turbulence du gaz traversant le tube en assurant le contact intime du gaz avec le liquide qui est dans les rainures.
La fig. 4 illustre une variante de construc tion d'un dispositif capillaire 53 ayant pour but d'amener du liquide à chacune des rai- nures a à l'extrémité 'supérieure du tube et d'assurer l'écoulement chi liquide des rainures à l'extrémité inférieure du tube. Cette forme d'exécution comprend une pièce annulaire formée par un treillis de fils métalliques au par une mèche 54; elle est maintenue en place par -une bague 55.
Du liquide amené dans le dispositif distributeur 53 par le coude 50 mon tera le long des côtés du tube dans le maté riau capillaire 54 et se répartira entre toutes les extrémités clés rainLires g, liquide qui sera ensuite amené au coude 50 pour s'écouler dans le tube inférieur suivant par le dispositif ea- pilla-ire monté à l'extrémité inférieure du tube.
La fig. 5 montre une autre variante d'exé cution, dans laquelle une seule longueur de tube rainuré t est pliée sur elle-même en ser pentin avec tronçons droits inclinés, de façon que le liquide amené à l'une des extrémités d'un tronçon incliné passe suivant le coude à l'extrémité supérieure du tronçon inférieur suivant sans avoir recours à des moyens de distribution du liquide par capillarité, comme montré aux fig. 3 et 4.
Tandis que la construction du tube rainuré sera utilisée avantageusement dans un évapo rateur pour mouiller la surface de la paroi au-dessus du niveau du liquide, occupant le fond de la paroi, et empêchera la stagnation de tout absorbant sur ladite paroi, il est par ticulièrement avantageux dans un absorbeur d'augmenter le transfert de la vapeur réfri gérante dans la solution absorbante. L'incli naison du tube<I>t</I> et la valeur du pas<I>p</I> des rainures hélicoïdales g peuvent varier dans une très large mesure et le tube peut avoir toute longueur qui soit un multiple de la lon- cnieur du pas de l'hélice.
Le nombre, la lar geur et la profondeur des rainures g doivent être proportionnés à la quantité de liquide disponible, afin d'assurer le meilleur résultat. En d'autres ternes, il devra y avoir un nom bre suffisant de rainures, afin de pouvoir utiliser tout le liquide amené .à l'élément, mais leur nombre devra être cependant assez, restreint de façon que toutes les rainures puissent être remplies par le liquide.
Il a été constaté que des tubes d'absorbeur ayant 407 mm (16") de longueur et un diamètre intérieur variant de 12,7 mm (1/z") .à 19 mm (3/4'), lorsqu'ils étaient utilisés dans un appa reil frigorifique ménager, pouvaient avoir des rainures avec un pas d'une longueur de 50 à 407 mm (2" à 16") lorsque le tuyau était incline avec une pente de 25,4 sur 407 mm (1" sur 16"). Il a été constaté qu'in tel tube 38 d'absorbeur a produit de 2 à 21/2 fois au tant d'effet d'absorption par unité de surface que les tubes d'absorbeur utilisés auparavant.
Cette amélioration peut être utilisée soit pour réduire le nombre de tubes et, par conséquent, le coût de l'absorbeur 10, soit pour augmenter l'effet de l'appareil, afin de réaliser une tem pérature plus basse à l'évaporateur.
Le fonctionnement de l'appareil est le sui vant: L'amorçage du fonctionnement de l'appa reil s'effectue en allumant le brûleur 15 et les produits de la combustion s'écoulent à travers le tube-foyer 14 et le chauffent. La chaleur est transmise par le tube-foyer 14 à la solu tion contenue dans les chambres 12 et 13, les quelles chassent de la vapeur réfrigérante, par exemple de l'ammoniaque, de la solution d'absorption qui peut être de l'eau.
La va peur réfrigérante chassée de la solution de la chambre 13 entraîne vers le haut des gouttes de solution, par le tube de montée 16 dans le tube vertical 17, d'où ces gouttes redescen dent pour remplir de solution la chambre 12 jusqu'au niveau x qui est supérieur au som met de l'absorbeur 10.
La vapeur chassée dans les deux chambres 12 et 13 s'écoule au travers du tube à vapeur 18 jusqu'à l'analyseur 19, traverse l'analyseur au contact direct avec une solution à forte teneur d'agent réfrigé rant, qui circule à contre-courant, vers le gé nérateur 6, puis cette vapeur l'.élève dans le tuyau à vapeur 21 et le rectifieur 22 pour atteindre le - condenseur 7 où ladite vapeur réfrigérante est liquéfiée. Par suite de la po sition élevée occupée par le condenseur 7, le liquide réfrigérant s'écoule par effet de gra vité successivement au travers des tronçons de haute et basse température 26,
respective ment 27 de l'évaporateur 8.
Simultanément, la solution d'absorbant de laquelle la vapeur réfrigérante a été chassée, c'est-à-dire la solution à faible teneur en agent réfrigérant, s'écoule par effet de gra vité de la chambre 12 du générateur 6 à tra vers le conduit intérieur 43 de l'échangeur à liquide 11.
Dtant donné que, comme on l'a vu, le liquide monte dans le tube 17' au-dessus du niveau x, la pression hydrostatique qui en ré sulte provoque une circulation montante du liquide absorbant depuis l'extrémité infé rieure du conduit 43 par le serpentin r6frigé- rant 45 jusqu'au tube le plus élevé 38 de l'absorbeur <B>1.0</B> au niveau x. La solution d'ab sorption s'écoule ensuite de haut en bas le long du fond du tube incliné 38 le phis élevé de l'absorbeur 10.
Par le conduit 40, la solu tion parvient à l'extrémité supérieure du tube suivant disposé juste au-dessous, pour circu ler ensuite successivement dans chaque autre tube 38 et arriver dans le pot absorbeur 39, au niveau y du liquide.
Le courant initial de la solution à travers le tronçon le plus élevé du tube 38 et l'absorp tion de vapeur d'ammoniaque par le gaz éga lisateur de pression, tel que de l'hydrogène, dans l'absorbeur 10, provoquent un mouvement initial de montée de gaz à faible teneur en agent réfrigérant à travers le conduit 37' et le passage extérieur 32 de l'échangeur 9 à gaz et un mouvement initial de descente de gaz à forte teneur en réfrigérant, par le passage intérieur 31 de l'échangeur à gaz et par le pot absorbe-tir 39 jusque dans l'extrémité infé rieure du serpentin absorbeur. De cette façon est déclenchée, par un effet de gravité,
une circulation de gaz inerte d'équilibrage de pression à travers l'évaporateur 8, à contre- courant par rapport à l'écoulement du liquide réfrigérant. Le liquide réfrigérant dans l'éva porateur 8 s'évapore et se diffuse dans le gaz pauvre en réfrigérant, s'écoulant à une pres sion partielle de vapeur et à une basse tem pérature, afin de produire un effet réfrigé- rant. Dans l'absorbeur 10, la vapeur d'ammo niaque, contenue dans le mélange gazeux à forte teneur en réfrigérant, est absorbée et se dissout dans 4a solution pauvre en réfrigérant,
s'écoulant vers le bas de l'absorbeur. Le gaz pauvre en agent réfrigérant. dans le passage extérieur 32 est plus léger que le gaz à forte teneur d'agent réfrigérant. dans le passage<B>31</B> de l'échangeur 9 à. gaz et maintient, de ce fait, la circulation du gaz par différence de den sité, cette circulation étant encore augmentée par le réfrigérant. pouvant déborder par le conduit 35.
La chaleur de vaporisation est continuellement échangée à travers les tubes 28 de l'évaporateur 8 à basse température pour y évaporer l'ammoniaque à une pression partielle et la chaleur d'absorption est. conti nuellement rayonnée par les tubes 38 de l'ab- sorbeur 10 à une température plus élevée.
La solution d'absorption à forte teneur d'agent réfrigérant s'écoule vers le niveau y dans le pot absorbeur 39 et du pot absorbeur à travers le conduit 41, dans le passage exté rieur 42 de l'échangeur à liquide 11 et par le conduit 44 à l'analyseur 19 et de l'analyseur 19 à travers le conduit 20 à la chambre d'élé vation 13 du générateur 6, complétant ainsi le cycle du processus.
Lorsqu'une augmenta tion de la pression et de la température se produit dans le condenseur 7, de la vapeur réfrigérante, surnageant le liquide dans le condenseur, pénètre, par son extrémité supé rieure, clans le récipient à pression 47 à tra vers le conduit 48 et refoule le gaz inerte qui y est logé, ce qui oblige ce dernier à circuler dans l'installation, compensant ainsi l'aug mentation de pression et de température.
Le liquide réfrigérant dans chaque tube incliné 28 du tronçon 26'à température élevée de l'évaporateur 8 ou bien le liquide d'absoi-7)- tion dans chaque tube 38 de l'absorbeur 10 s'écoule en suivant le fond du tube depuis l'extrémité supérieure vers l'extrémité infé rieure.
Une partie du liquide pénétrant par l'extrémité supérieure du tube est élevée par effet de capillarité des rainures périphériques 51 (voir fig. 3), ou bien par le matériau ea- pillaire 54 (voir fig. 4), dans le but d'ali menter en liquide l'extrémité de chaque rai nure g le long de toute la périphérie du tube.
Le liquide amené aux extrémités des rainures g monte à la partie supérieure du tube dans chaque partie ascendante cc des rainures par effet de capillarité et s'écoule ensuite vers le bas par la branche plus longue par effet de siphon, ce qui a pour effet d'assurer un écoule ment continu le long dés rainures au-dessus du niveau du liquide, occupant le fond du tube, sur toute sa surface. Le liquide amené dans le fond du tube par la partie inférieure des rainures g s'écoule ensuite obliquement le long chi fond du tube et, en remontant,
pénètre dans les rainures subséquentes sur toute la longueur du tube. Dtant donné que le nom bre, la largeur et la profondeur des rainures sont proportionnés de manière appropriée au volume du liquide fourni, la surface entière des tubes successifs sera complètement mouil lée par le liquide. La chicane 52 dans chacun des tubes 28 ou 38 dirige le gaz en contact avec la surface de la paroi mouillée et crée un effet de turbulence dans le gaz, augmentant ainsi le contact et le mouvement relatif entre le gaz et le liquide sur toute la surface du tube, ce qui accroît le taux d'échange de cha- Ic.ur à travers les tubes.
Heat exchanger device for refrigeration installations. The present invention relates to a heat exchanger device applicable, in particular, to an absorption refrigeration installation, this device comprising a channel pa king whose bottom is inclined and. along which a current of liquid moves by the action of gravity. It is intended to wet the channel wall above the bottom thereof, in order to intensify the exchange of heat through this wall.
In Swiss patent N 260708 of the de manderesse, it has been described. and claimed an apparatus having a channel wall through which heat is exchanged between a fluid on one side and a liquid on the other side, for the purpose of enhancing the evaporation of the liquid. The wall is only partially submerged in the liquid which is raised by capillary action in order to wet the entire part of the, sui-face of the wall located above the level of the liquid.
In this known apparatus, the channel wall has, on the side in contact with the liquid which flows in the bottom, capillary grooves juxtaposed and in immediate contact with each other.
According to one embodiment described in this patent, the tubular wall is used as an evaporator in an absorption refrigeration installation through which the refrigerant flows by gravity. The refrigerant liquid rises in the capillary grooves and wets the entire surface of the wall above the level of the primary liquid stream, occupying the bottom of the tube.
By this means, the effective heat exchange area of the wall as well as the magnitude of the heat exchange rate are increased. Evaporation of the refrigerant causes its immediate replacement by liquid from the bottom of the tube. If the tube is used as an absorber, the absorbent liquid will rise up along the grooves and wet the entire surface of the wall, thereby increasing the rate of heat exchange.
However, since the tube is horizontal, the absorbent liquid remains stagnant in the grooves, which limits the amount of vapor capable of being liquefied to the amount that is likely to be absorbed before the liquid is saturated, reckoning. given the special conditions in which one is working at that time.
In the heat exchanger device for refrigeration installations which forms the subject of the present invention, means are provided for supplying liquid to the upper part of the channel wall, so that the liquid forms a current moving along of said wall under the action of gravity.
This device is characterized by capillary grooves formed along said inclined wall and extending from a high level to a lower level, with the aim of jointly using the forces of capillarity and gravity to cause a continuous flow of liquid along said capillary grooves above the bottom of the wall from this high level to the lower level.
According to a preferred embodiment of the invention which clearly distinguishes it from Swiss patent N 260708, the primary stream of liquid occupying the bottom of the channel wall, each capillary groove can constitute a siphon having an ascending branch in which the liquid is raised by the effect of capillarity and a descending branch along which the liquid flows to a lower level by the effect of gravity, in order to create a continuous auxiliary flow along the wall, above the level of said primary current of liquid in the bottom of the wall.
The appended drawing represents, by way of example, a form and variants of execution of the device which is the subject of the invention.
The fi-. 1 is a schematic diagram of an absorption refrigeration installation comprising heat exchanger apparatus according to the subject of the present invention.
Fig. 2 is a partial sectional view of a tube shown with a single groove formed in its wall, in order to illustrate how the continuous flow of liquid originates by the combination of the capillary lifting effect and the siphon effect flow along the tube and above the primary stream level at the bottom of the tube.
Fig. 3 is a figure similar to FIG. 2, showing a tube having a series of juxtaposed grooves, in immediate contact with each other, and having a helical shape with a peripheral capillary feed channel at each end and a helical pipe inside.
Fig. 4- is a view similar to FIG. 3 showing, at each end of the tube, capillary means of supply and flow of an alternative construction.
Fig. 5 is a view of a single tube having capillary grooves formed in its wall and curved between its ends, with the aim of being able to form a series of inclined sections.
The heat exchanger device shown here is applied to a refrigeration installation with usual absorption of the three-fluid type, comprising a generator 6, a condenser 7, an evaporator 8, a gas heat exchanger 9, an absorber 10. and a liquid heat exchanger 11 connected to ensure the flow of a cooling agent by gravity effect,
an absorbent and in. pressure equalizer gas. In the illustrated embodiment, the generator 6 comprises separate chambers 12 and 13 for the generation and elevation of the liquid, with a common heating tube-hearth 14 and arranged vertically, which passes right through them. The heat can be supplied to the firebox 14 from any suitable source, such as a gas burner 15 or the like.
A tube 16, intended for the rise of the steam, rises vertically. from the chamber 13 to a vertical pipe 17 connected to the upper end of the generator chamber 12, and which is linked to said generator at a point located above level x; some cash. From the upper end of the vertical pipe 1.7 leaves a gooseneck pipe 18, for the steam, and which is connected to the lower part of an analyzer 19 in the form of a hairpin.
The lower part of the analyzer 19 is connected to the rising chamber 13 by a conduit 20 and the upper part of the analyzer is connected to the inlet of the condenser 7 by means of a pipe 21 for steam, said pipe being provided internally with rectifying baffles 22.
The condenser 7 covers the. in the form of a vertical coil 23 provided with fins 24. The lower end or outlet end of the coil 7 of the condenser is connected to the upper part of the evaporator 8 by means of a pipe 25.
The evaporator 8 comprises a section 26 at high temperature as well as a section 27 at low temperature connected in series with one another, so that the refrigerant. can flow in said sections by the effect of gravity. The high temperature section 26 takes the form of a hairpin, the tubes 28, provided with fins 29 and inclined, being connected to one another. The low temperature section 27 is formed by a series of coils 30 arranged horizontally for the purpose of forming supports for ice cream tubs or other similar accessory.
The upper end of the section 26 of the high temperature evaporator is connected to the internal passage 31 of the gas heat exchanger 9, while the lower end of the section 27 at low temperature is connected to the orifice. outlet 32 of the gas heat exchanger. The gas heat exchanger 9 is formed by two concentric tubes and provided with chicanes 33 and 34 for the purpose of creating turbulence in the gas passing through it.
A duct 35 for overflow of the refrigerant, depending on the lower coil chi section 27 at low temperature of the evaporator 8, is bent in order to form a pocket for liquid, while its free end penetrates. inside the passage 31 of the gas heat exchanger.
The lower ends of the inner and outer passages 31. and 32 of the gas heat exchanger 9 are connected to the lower part and the upper part of the absorber 10, respectively by means of conduits 36 and 37 '. .
The absorber 10 is formed by a serpen tin arranged in the vertical plane; it is composed of a series of inclined tubes 38 connected to each other in series, provided with fins 38a on each tube, and. to an absorber pot 39.
The uppermost section of tube 38 of the ser pentin slopes downward from right to left, as shown in fig. 1, while the successive sections of coils are inclined while diverging, in order to ensure a continuous flow of the liquid from the top of the coil towards its lower part. A duct 40 connects the outer end (on the left) of the part of the upper section of the tube 38 to the upper end of the immediately following section (on the right) and this in one. goal which will be indicated later.
The lower part of the lower section 38 and the end of the conduit 36 are connected to the upper part of the absorber pot 39, above the liquid level y. The lower part of the absorber pot 39 is connected by a conduit 41 to the external passage 42 of the liquid heat exchanger 11.
The liquid heat exchanger 1.1 is composed of concentric tubes folded into a serpentine for the purpose of forming an outer space or passage 42 and an inner passage 43. The opposite end of the passage 42 is connected to the upper part of the passage. analyzer 19, at or below the level y of the liquid, through a conduit 44.
One end of the internal passage 43 of the liquid heat exchanger 11 is connected to the chamber 12 of the generator 6, while the opposite end is connected to a refrigerant coil 45 provided with fins 46, which, at its tower, is connected to the upper end (or right) of the upper section 38 of the serpen tin of the absorber 10, at or slightly below the level x 'of the liquid.
A pressure vessel 47 is connected at its upper end to the pipe 25, adjacent to the condenser 7, by a pipe 48 and connected at its lower end to the pipe 36 by a pipe 49. The pressure vessel 47 is intended for accumulate a reserve of gas for pressure equalization and automatically discharge gas to put it into circulation in the installation when an increase in pressure occurs in it.
Some of the elements such as evaporator 8 and absorber 10 include heat exchange walls so constructed and arranged that a capillary flow of liquid occurs continuously along their surface above. of the level of the primary stream of liquid occupying the bottom of the channel wall.
The walls have a series of adjacent grooves <B> - </B> of capillary dimensions in immediate contact with each other, formed in the surface of the wall and arranged in such a way that they use the combined capillary and siphon effects. Each groove comprises a branch which rises to the upper part of the wall and in which the liquid is raised by capillary action, and a longer descending branch, in which the liquid is sucked downwards by a siphon effect.
The construction of the grooved wall can take other forms; it comprises, in the embodiment shown, the tubes 28 of the high temperature section 26 of the evaporator 8 and the tubes 38 of the absorber 10. Each tube 28 or 38 has an inclined position relative to the direction horizontal, each having a series of long helical grooves g adjacent and in immediate contact with each other, formed in their inner face. A liquid supplied to the upper end of a tube will flow as a primary stream along the bottom of the latter by gravity,
while part of the liquid will first be raised in each groove above the level of this primary current, by capillary action, and then will be propelled further along the groove by a siphon effect. In order to better illustrate and describe the phenomenon, part of one of the tubes 28 or 38, hereinafter designated by tube t, is shown in FIG. 2, showing it as if it had a single groove g, the tube being inclined with respect to the horizontal direction, in order to produce a drop h over a length <I> p </I> equal to the pitch of the helical groove.
The liquid brought to the lower end of the groove g at the upper end of the tube t rises to the top of the groove in the rising branch has by capillary effect at a height h1 which is equal to the distance C, between the upper wall of the tube and the lower wall of said tube in a vertical direction, reduced by a drop equal to <I> to </I> 11L ,, <I> h </I> from the inclination dti tube, or <I> C-1/2 h. </I> The liquid stream will continue to advance along the ash branch d of the groove or at the beginning,
a stream of liquid may be raised in a direction F2 in the descending part d until the streams of liquid in the two parts of the groove come together. The column of liquid in the descending part d of the groove g has a height 0 equal to C -! - 1/2 h.
Since the capillary forces existing in the ascending and descending branches cc and <I> d </I> are equal, and since the height <I> h2 </I> of the liquid at <I> d </I> is greater than the height h1 of the liquid in cc, it follows that, for the set of the two parts a and d, the force of gravity (fall h2) will have a preponderant effect which will ultimately produce a flow of the liquid from branch 'a to branch d of the groove. Thus, the groove g constitutes a siphon initiated automatically by capillary action, thus causing the continuous flow of the liquid along the groove and above the primary stream of the liquid occupying the bottom of the tube t.
In order to wet the entire surface of the tube t above the current level. primary liquid, a series of these grooves g are formed in the inner surface of the tube t, adjacent and have immediate contact with each other, as can be seen in FIG. 3. In this embodiment, the liquid is brought to the upper end of the tube t, from the bottom of another tube placed above, but not shown. The liquid flows along the tube t then, through the elbow 50, arrives in the upper end of the next tube, below t.
In order to. to use the entire surface of the tube t, an annular capillary channel 51 is provided at each end of the tube in order to supply liquid to each groove at the upper end of the tube and to allow the flow of each groove at the lower end of the tube. A baffle 52, in the form of a helix, is also mounted in the tube, this baffle cooperating with the groove g in order to create a turbulent movement of the gas passing through the tube while ensuring the intimate contact of the gas with the liquid which is in the tubes. grooves.
Fig. 4 illustrates an alternative construction of a capillary device 53 for the purpose of supplying liquid to each of the a-grooves at the upper end of the tube and of ensuring the liquid flow from the grooves to the. lower end of the tube. This embodiment comprises an annular part formed by a lattice of metal son or by a wick 54; it is held in place by a ring 55.
Liquid brought into the dispensing device 53 by the elbow 50 will rise along the sides of the tube in the capillary material 54 and will be distributed between all the key ends g, liquid which will then be brought to the elbow 50 to flow into. the next lower tube by the ea- pilla-ire device mounted at the lower end of the tube.
Fig. 5 shows another variant of execution, in which a single length of grooved tube t is folded on itself in a serpentine manner with straight inclined sections, so that the liquid supplied to one end of an inclined section passes along the bend at the upper end of the next lower section without having recourse to means for distributing the liquid by capillary action, as shown in FIGS. 3 and 4.
While the construction of the grooved tube will be advantageously used in an evaporator to wet the surface of the wall above the level of the liquid, occupying the bottom of the wall, and will prevent the stagnation of any absorbent on said wall, it is for It is particularly advantageous in an absorber to increase the transfer of the cooling vapor into the absorbent solution. The inclination of the tube <I> t </I> and the value of the pitch <I> p </I> of the helical grooves g can vary to a very large extent and the tube can have any length which is a multiple of the length of the propeller pitch.
The number, width and depth of the grooves g must be proportional to the quantity of liquid available, in order to ensure the best result. In other words, there must be a sufficient number of grooves, in order to be able to use all the liquid supplied to the element, but their number must however be sufficient, restricted so that all the grooves can be filled by the liquid.
It was found that absorber tubes having 407 mm (16 ") in length and an inside diameter varying from 12.7 mm (1 / z") to 19 mm (3/4 '), when they were used in a household refrigeration appliance, could have grooves with a pitch of 50 to 407 mm (2 "to 16") when the pipe was inclined with a slope of 25.4 by 407 mm (1 "on 16 "). It has been found that such absorber tube 38 produced 2 to 21/2 times as much absorption effect per unit area as absorber tubes previously used.
This improvement can be used either to reduce the number of tubes and therefore the cost of absorber 10, or to increase the effect of the apparatus, in order to achieve a lower temperature at the evaporator.
The operation of the appliance is as follows: The initiation of the operation of the appliance is effected by igniting the burner 15 and the products of combustion flow through the hearth tube 14 and heat it. The heat is transmitted through the hearth tube 14 to the solution contained in the chambers 12 and 13, which expel refrigerating vapor, for example ammonia, from the absorption solution which may be water. .
The refrigerant vapor expelled from the solution in chamber 13 drives drops of solution upwards, through riser tube 16 into vertical tube 17, from where these drops descend again to fill chamber 12 with solution until level x which is greater than the som met of absorber 10.
The vapor expelled from the two chambers 12 and 13 flows through the vapor tube 18 to the analyzer 19, passes through the analyzer in direct contact with a solution with a high content of refrigerant, which circulates at against the current, towards the generator 6, then this vapor raises it in the vapor pipe 21 and the rectifier 22 to reach the condenser 7 where said refrigerating vapor is liquefied. As a result of the high position occupied by the condenser 7, the refrigerant liquid flows by gravity effect successively through the high and low temperature sections 26,
respectively 27 of the evaporator 8.
Simultaneously, the absorbent solution from which the refrigerant vapor has been driven off, i.e. the solution with a low refrigerant content, flows by gravity from the chamber 12 of the generator 6 through the internal duct 43 of the liquid exchanger 11.
Since, as we have seen, the liquid rises in the tube 17 'above the level x, the hydrostatic pressure which results therefrom causes an upward circulation of the absorbent liquid from the lower end of the conduit 43 through the cooling coil 45 to the uppermost tube 38 of the absorber <B> 1.0 </B> at level x. The absorbent solution then flows up and down along the bottom of the inclined tube 38 to the high phis of the absorber 10.
Via the conduit 40, the solution reaches the upper end of the next tube placed just below, to then circulate successively in each other tube 38 and arrive in the absorber pot 39, at the level y of the liquid.
The initial flow of the solution through the uppermost section of tube 38 and the absorption of ammonia vapor by the pressure equalizing gas, such as hydrogen, in absorber 10 causes movement. initial rise of gas with a low refrigerant content through the conduit 37 'and the outer passage 32 of the gas exchanger 9 and an initial downward movement of gas with a high refrigerant content, through the inner passage 31 of the 'gas exchanger and through the absorber-shot pot 39 into the lower end of the absorber coil. In this way is triggered, by an effect of gravity,
a circulation of inert pressure balancing gas through the evaporator 8, in countercurrent to the flow of the refrigerant liquid. The refrigerant liquid in the evaporator 8 evaporates and diffuses into the refrigerant-lean gas, flowing at partial vapor pressure and low temperature, to produce a cooling effect. In the absorber 10, the ammonia vapor, contained in the gas mixture with a high refrigerant content, is absorbed and dissolves in 4a solution poor in refrigerant,
flowing down the absorber. Gas lean in refrigerant. in the outer passage 32 is lighter than gas with a high refrigerant content. in passage <B> 31 </B> of exchanger 9 to. gas and therefore maintains the circulation of gas due to the difference in density, this circulation being further increased by the refrigerant. may overflow through conduit 35.
The heat of vaporization is continuously exchanged through the tubes 28 of the evaporator 8 at low temperature to evaporate the ammonia therein at partial pressure and the heat of absorption is. continuously radiated by the tubes 38 of the absorber 10 at a higher temperature.
The absorption solution with a high content of refrigerant flows towards the level y in the absorber pot 39 and the absorber pot through the conduit 41, into the external passage 42 of the liquid exchanger 11 and through the leads 44 to the analyzer 19 and from the analyzer 19 through the conduit 20 to the elevation chamber 13 of the generator 6, thus completing the process cycle.
When an increase in pressure and temperature occurs in the condenser 7, refrigerant vapor, supernatant of the liquid in the condenser, enters, at its upper end, into the pressure vessel 47 through the duct. 48 and discharges the inert gas which is housed therein, which forces the latter to circulate in the installation, thus compensating for the increase in pressure and temperature.
The refrigerant liquid in each inclined tube 28 of the section 26 ′ at high temperature of the evaporator 8 or else the absorption liquid-7) - tion in each tube 38 of the absorber 10 flows along the bottom of the tube from the upper end to the lower end.
A part of the liquid entering through the upper end of the tube is raised by the capillary effect of the peripheral grooves 51 (see fig. 3), or else by the core material 54 (see fig. 4), with the aim of supply liquid to the end of each groove g along the entire periphery of the tube.
The liquid supplied to the ends of the grooves g rises to the upper part of the tube in each ascending part cc of the grooves by capillary effect and then flows downwards through the longer branch by siphon effect, which has the effect of d 'ensure a continuous flow along the grooves above the liquid level, occupying the bottom of the tube, over its entire surface. The liquid brought to the bottom of the tube by the lower part of the grooves g then flows obliquely along the bottom of the tube and, going up,
enters subsequent grooves along the entire length of the tube. Since the number, width and depth of the grooves are appropriately proportioned to the volume of liquid supplied, the entire surface of successive tubes will be completely wetted by the liquid. The baffle 52 in each of the tubes 28 or 38 directs the gas into contact with the wetted wall surface and creates a turbulent effect in the gas, thereby increasing the contact and relative movement between gas and liquid over the entire surface. of the tube, which increases the heat exchange rate through the tubes.