Appareil de diffusion thermique
La présente invention a pour objet un appareil de diffusion thermique comportant deux parois imperméables aux liquides dont les faces opposées sont lisses et écartées d'une distance sensiblement constante l'une de l'autre pour former une chambre étroite.
On connaît déjà des appareils de ce type dans lesquels on effectue la séparation par diffusion thermique des mélanges liquides (expression qui sert ici à désigner des mélanges et des solutions liquides dans des conditions opératoires) en une ou plusieurs fractions riches ou appauvries suivant le cas en l'un ou plusieurs constituants du mélange liquide.
L'épaisseur delta chambre étroite ne dépasse pas, de préférence, 3,81 mm. On maintient les parois opposées à des températures différentes de façon à établir une différence de température au travers de la chambre; on dit de l'une des parois qu'elle est chaude et de l'autre qu'elle est froide , les qualificatifs chaude et froide étant pris dans leur sens relatif plutôt que dans leur sens absolu.
Il a déjà été proposé de former des chambres de diffusion thermique à l'aide de tubes concentriques aussi bien qu'à l'aide de plaques plates. Le succès d'une séparation par diffusion thermique dépend dans une mesure importante de l'épaisseur et de l'uniformité
d'épaisseur de la chambre dans laquelle on
maintient une différence de température. Si
l'épaisseur d'une partie quelconque de la
chambre dépasse environ 3,81 mm, les forces
de diffusion thermique deviennent si faibles,
dans cette partie de la chambre, que le taux
et le degré de la séparation y deviennent pra
tiquement négligeables, ce qui se traduit par
un abaissement du rendement de la colonne.
D'autre part, les faces de la chambre ne doi
vent pas pouvoir se toucher ou venir si près
l'une de l'autre qu'elles empêchent ou gênent
sérieusement l'écoulement du liquide dans la
chambre. Par suite, on a considéré qu'il est
nécessaire de fabriquer des appareils de dif
fusion thermique avec des tolérances extrême
ment serrées.
Ainsi, par exemple, lors de la
construction de colonnes de diffusion thermi
que, du type à tubes concentriques dans les .quelles la surface extérieure du tube intérieur
et la surface intérieure du tube extérieur for
ment une chambre annulaire, on a considéré
nécessaire de rectifier chaque tube individuel
lement afin que sa section soit parfaitement
ronde, qualité que présentent rarement les tu
bes métalliques ou en verre disponibles dans
le commerce. ll a de même été trouvé néces
saire, lors de la fabrication de colonnes de dif
fusion thermique du type à plaques plates,
d'usiner soigneusement les surfaces de parois opposées de manière à assurer l'uniformité de l'épaisseur de la chambre.
On a constaté que, même en prenant de telles précautions, il se produit, pendant le fonctionnement, des conditions qui empêchent le maintien d'un courant régulier et laminaire de liquide à travers la chambre. Ces conditions sont dues, plus fréquemment, à une dilatation ou une contraction des parois délimitant la chambre à la suite de la différence de température maintenue comme une condition préalable nécessaire pour obtenir une séparation par diffusion thermique.
Ainsi, par exemple, si le tube intérieur d'une colonne de diffusion thermique est chauffé, sa dilatation résultante, en tenant compte du fait que les épaisseurs des chambres peuvent être aussi faibles que 0,25 mm ou même moins, peut augmenter le diamètre extérieur du tube intérieur à un degré tel que la chambre soit complètement obturée ou que le tube intérieur soit cintré légèrement, mais à un degré suffisant pour qu'il vienne toucher une partie appréciable de la surface intérieure du tube extérieur, ce qui gêne ou empêche de façon notable le déplacement du liquide à travers la chambre annulaire.
Dans le type d'appareil à plaques plates, la dilatation de l'une des parois opposées peut être facilement suffisante pour obliger la paroi à se cintrer vers l'intérieur en direction de la paroi opposée et à toucher cette paroi, ce qui fait que la chambre sera complètement obturée pour toute utilisation pratique, ou à l'approcher de si près qu'un étranglement appréciable soit engendré dans la chambre et que son efficacité soit considérablement réduite.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes soulevés par les exigences strictes des procédés de diffusion thermique de liquides et donne une solution qui est à la fois simple et efficace.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments d'écartement imperméables aux liquides placés entre lesdites faces opposées des parois constituant la chambre pour les empêcher de se toucher.
La fig. 1 représente une colonne du type à tubes concentriques construite en un matériau relativement flexible telle que du métal et dans laquelle les éléments d'écartement sont constitués par des tronçons de fil de cuivre.
La fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale, à grande échelle, faite par 2-2 de la fig. 1, de l'appareil représenté sur la fig. 1, les dimensions relatives de la chambre, des éléments d'écartement et de la section des tubes étant aussi représentatives que possible dans des représentations telles que la fig. 1.
La fig. 3 représente une colonne typique du type à tubes concentriques dans laquelle le matériau de construction est relativement rigide, par exemple du verre.
La fig. 4 est une vue en perspective d'une face d'un appareil de diffusion thermique à plaques.
La fig. 5 est une coupe transversale d'un appareil du type à plaques pourvu d'une membrane perméable.
Les fig. 1 et 2 représentent une colonne de diffusion thermique du type à tubes concentriques constituée essentiellement d'un tube intérieur 10; d'un tube extérieur 11 pourvu d'enroulements successifs d'une bande 12, d'une bobine de chauffage en fil résistant 14 et d'une bande isolante 16, les tubes étant reliés de manière étanche l'un à l'autre à l'une des extrémités, en 17, et étant reliés de manière étanche à l'autre extrémité de manière à permettre un déplacement relatif léger dans le sens de la longueur des tubes intérieur et extérieur comme, par exemple, au moyen d'une matière inerte 19 pour presse-étoupe et d'un écrou de presse-étoupe 20.
Le tube intérieur 10 est pourvu d'éléments d'espacement 21 en fil de cuivre fixés par soudure tendre, soudure autogène, brasage, ou d'une autre manière, à la surface extérieure du tube intérieur à des intervalles axiaux d'environ 0,304 mm et répartis circonférentiellement à environ 1200 les uns des autres, comme on l'a particulièrement représenté sur la fig. 2.
Le diamètre des éléments d'écartement 21 en fil métallique est égal à l'épaisseur de la chambre annulaire qui sépare la surface extérieure du tube intérieur 10 et la surface intérieure du tube extérieur 11. La longueur des éléments d'écartement en fil métallique ne présente relativement pas d'importance, mais elle peut être de l'ordre de 25 mm ou d'une valeur approchante. Le tube extérieur 1 1 comporte trois conduits 24 ou davantage qui communiquent avec la chambre annulaire 22, ces conduits pouvant être fixés par tout moyen approprié, par exemple par brasage.
On a constaté qu'il est généralement désirable que les éléments d'écartement soient disposés symétriquement autour de la circonférence du tube intérieur et pour que l'interférence avec l'écoulement laminaire du liquide dans la chambre annulaire soit minimum, il faut que trois éléments d'écartement soient symétriquement espacés autour de la circonférence en un point donné. I1 est bien entendu que l'écartement circonférentiel et axial des éléments d'écartement dépendent tous deux de facteurs tels que le diamètre et la longueur du tube, l'épaisseur de la chambre et le coefficient de dilatation thermique de la matière avec laquelle on a réalisé le tube.
Lors de l'assemblage de cet appareil dans lequel les éléments d'écartement font partie intégrante du tube intérieur ou bien sont fixés à celui-ci, on constate qu'il est pratique de faire glisser le tube intérieur dans le sens de la longueur dans le tube extérieur et de rectifier ou de limer chaque élément d'écartement, ou chaque jeu d'éléments d'écartement disposés circonférentiellement, lorsqu'il ou ils sont prêts à être introduits dans le tube extérieur.
Si l'on doit utiliser le tube intérieur comme paroi relativement chaude et si les deux tubes sont en matière relativement rigide telle que du verre, il est important de limer ou de rectifier les éléments d'écartement afin qu'ils fassent saillie à partir de la surface extérieure du tube intérieur sur une distance légèrement inférieure à l'épaisseur de la chambre, afin d'éviter le fissurage de l'un ou l'autre des tubes lorsque le tube intérieur est chauffé et que le tube extérieur est refroidi au cours du fonctionnement de la colonne. 1l est évidemment bien entendu que le jeu laissé entre les éléments d'écartement et - la paroi intérieure du tube extérieur dans un tel appareil est extrêmement faible et, dans la plupart des cas, pratiquement négligeable.
Les dilatations prévues peuvent être facilement calculées si le coefficient de dilatation thermique du matériau de construction et les températures des parois chaude et froide sont connus.
L'assemblage de colonnes formées par des tubes concentriques, lorsque le matériau de construction-est du métal, est similaire, sauf en ce que la flexibilité relative du matériau n'exige pas autant -de soin lorsqu'il s'agit de laisser un léger jeu entre les éléments d'écartement et la surface intérieure du tube extérieur lorsque le tube intérieur sert de paroi relativement chaude. Dans l'un ou l'autre cas, évidemment, lorsque l'on doit utiliser le tube extérieur comme paroi relativement chaude, il est inutile de laisser un jeu en raison de la dilatation du tube extérieur pendant le fonc tiormemént.
Les éléments d'écartement pourraient également être en verre ou en une matière plastique, c'est-à-dire une matière inerte vis-à-vis du mélange liquide et imperméable, et ils peu-vent être pratiquement incompressibles, si la paroi à partir de laquelle ils font saillie est suffisamment épaisse pour pouvoir comporter un évidement par des pattes de verrouillage appropriées ou par dispositifs à vis. Ils peuvent également être maintenus en place par contact à friction avec les faces opposées des parois formant la chambre.
L'appareil illustré sur la fig. 3 comprend un tube intérieur 30 en verre, un tube extérieur 31 en verre pourvu d'une chemise 32, et au moins trois conduits 34 communiquant avec la chambre annulaire 36 formée par la paroi intérieure du tube extérieur 31 et la paroi extérieure du tube intérieur 30. Le tube intérieur comporte une série d'éléments d'écartement 37 qui peuvent faire partie intégrante du tube ou être prévus sur celui-ci.
Ainsi, par exemple, on peut chauffer localement l'endroit auquel les éléments d'écarte ment doivent être situés et les souffler afin qu'ils fassent saillie à partir de la surface, le tube peut être moulé avec de tels éléments d'écartement en forme de bulles ou analogues, ou bien encore on peut disposer les éléments d'écartement sur la surface extérieure du tube intérieur par des techniques bien connues, par exemple sous forme de gouttes tombant d'une baguette de verre. Les tubes intérieur et extérieur peuvent être scellés chacun l'un à l'autre à l'une des extrémités 39 et comporter un élément de fermeture coulissant 40, par exemple en caoutchouc naturel ou synthétique à l'autre extrémité.
Sur la fig. 4, sur l'une des faces 41 formant la chambre d'un appareil du type à plaques plates comportant des orifices 42 et un joint 44 placé sur le périmètre, plusieurs éléments d'écartement 46 en fil métallique sont fixés à la surface 41 par tout moyen approprié, par exemple par brasure, par soudure tendre, par soudure autogène, ou par un moyen analogue.
Sur la fig. 5, les deux faces 50 et 51 constituant la chambre sont pourvues de tels éléments d'écartement 46a qui, toutefois, font saillie seulement sur une distance égale à l'écartement désiré entre une membrane perméable 52 et la surface de la paroi formant la chambre à laquelle les éléments d'écartement sont fixés.
Si l'on désire maintenir les éléments d'écartement en place par contact à friction avec les surfaces des parois, on peut assembler l'appareil en plaçant les éléments d'écartement sur l'une des surfaces de paroi tandis qu'elle est dans une position horizontale, tournée vers le haut, en plaçant ensuite l'autre paroi sur elle, tournée vers le bas, et en serrant les deux plaques ensemble tandis qu'elles se trouvent dans cette position. Dans ce cas, la hauteur à laquelle se trouvent les éléments d'écartement au-dessus de la surface de la paroi sur laquelle ils sont placés devra, évidemment, être égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur que l'on désire donner à la chambre.
Lorsqu'une membrane perméable est prévue dans la chambre, il est préférable de fixer ces éléments d'écartement aux deux parois, le diamètre des tronçons de fil formant les éléments d'écartement sur l'une ou l'autre des faces de parois étant sensiblement égal à l'écartement désiré entre la membrane et ladite face de la paroi.
L'avantage principal des éléments d'écartement de l'appareil décrit réside dans le fait qu'ils maintiennent une épaisseur de chambre sensiblement constante sur toute la longueur de la colonne sans gêner de manière appréciable l'écoulement laminaire et régulier du liquide ou la différence. de température, caractéristiques qui sont toutes deux essentielles pour la séparation par diffusion thermique.
Les éléments d'écartement présentent également l'avantage de simplifier la construction des colonnes de diffusion thermique, par exemple en rendant possible d'utiliser des tubes disponibles dans le commerce et en évitant l'obligation d'une fabrication spéciale avec des tolérances extrêmement serrées.