Evaporateur L'invention a pour objet un évaporateur.
On connaît un évaporateur pour la production du froid, dans lequel le liquide frigorigène s'élève dans un faisceau de tubes verticaux, autour desquels 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 gouttelettes par la vapeur sortant de la partie supérieure du faisceau tubulaire. C'est pourquoi cet évaporateur est surmonté d'un dôme sécheur d'un à trois mètres de hauteur, dans lequel les gouttelettes du liquide finissent par perdre leur vitesse ascendante, pour retomber ensuite dans un collecteur central descendant, qui amène ce li quide 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 réalisées 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 dé pose alors par décantation à la partie inférieure de l'évaporateur, où on la récupère par des purges pé riodiques.
Au contraire, dans le cas où l'on utilise un li quide frigorigène, tel que le fréon, où l'huile est mis cible en toutes proportions, celle-ci, au lieu de se déposer à la partie inférieure de l'évaporateur, reste mélangée dans le liquide qui s'élève dans le faisceau tubulaire, ainsi que dans les gouttelettes qui sont entraînées par la vapeur sortant de la partie supé rieure 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 accroisse ment continu du pourcentage de l'huile mélangée à ce liquide, dont la viscosité augmenterait corrélative ment, produisant une réduction des échanges- calo rifiques 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 tempé rature distinct de l'évaporateur, et où cette vapeur humide circule en contrecourant, soit de la saumure ou de 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 en traînée vers le compresseur par la vapeur sèche, à condition que la vitesse de celle-ci dépasse cinq m/sec.
Ce dispositif connu permet de maintenir cons tants la teneur en huile du fréon liquide et le rende ment de l'installation frigorifique ; il nécessite ce pendant un appareil indépendant de l'évaporateur, chacun d'eux étant éventuellement alimenté par un circuit de saumure ou de fluide à refroidir qui lui est propre ; c'est donc un dispositif coûteux et dont le bilan calorifique est assez mauvais.
L'évaporateur qui fait l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un second faisceau de tubes verticaux disposés de façon à être baignés par le fluide à refroidir et à être traversés de haut en bas par la vapeur humide sortant de la partie supé rieure du premier faisceau, et par l'huile qu'elle peut entraîner.
La suppression du dôme sécheur permet un gain de plusieurs mètres sur son encombrement en hau teur, ce qui est très intéressant dans de nombreuses applications, en particulier pour les installations de navires frigorifiques.
La disposition. d'un second faisceau de tubes per met également l'mploi d'un liquide frigorigène tel que le fréon, sans qu'il soit nécessaire d'adjoindre à l'évaporateur un échangeur spécial pour sécher la vapeur, tout en évitant cependant que l'huile entrai- née ne retourne dans le liquide frigorigène alimen tant le premier faisceau tubulaire.
Le bénéfice résul tant de l'économie d'un appareil auxiliaire est encore accru par une amélioration du bilan calorifique de l'installation, due à ce que la vaporisation du liquide frigorigène et le séchage de la vapeur produite sont réalisés par un seul et même circuit de saumure ou de fluide à refroidir.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'évaporateur objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 représentent schématiquement cette forme d'exécution en élévation et en plan, res pectivement en coupe suivant les lignes 1-I et II-II.
La fig. 3 représente, en coupe, un élément de l'un des tubes du second faisceau descendant, com portant une gouttière ayant la forme d'une vis d'Archimède.
L'évaporateur représenté en coupe aux fig. 1 et 2 comporte : une enveloppe cylindrique 1, dont les deux extrémités 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 vapo riser ;
comme le montre la vue en plan de la fig. 2, ces tubes sont disposés, de préférence, de façon ré gulière à l'intérieur d'un contour fermé, de préfé rence circulaire, dont le centre est occupé par un tube 5 de plus grand diamètre, dans lequel le liquide frigorigène amené par une conduite 6 descend jusque dans un récipient 7, assujetti à la plaque 3, en des sous 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 une conduite 8, et en sort à la partie supérieure par une conduite 9, après avoir circulé dans l'espace annulaire entre les tubes 1 et 5, à travers des chicanes destinées à le ralentir et à favoriser de ce fait les échanges calo- rifiques entre la saumure ou le fluide à refroidir qui lèche extérieurement les parois des tubes 4, et le fluide frigorigène qui s'élève dans ces mêmes tubes 4.
Ces chicanes sont, de préférence, hélicoïdales, par exemple des anneaux plans 10, comportant chacun une échancrure en forme de secteur, et raccordés en tre eux par des éléments verticaux au niveau des bords de leurs échancrures sectorielles, qui .sont dé calées les unes par rapport aux autres d'un angle constant.
Un espace est ménagé entre la paroi de l'enve loppe 1 et le faisceau tubulaire 4 ; dans cet inter valle est disposé un second faisceau de tubes verti caux 11, dont les extrémités sont également dudgeon- nées dans les plaques 2 et 3. Comme le montre la fig. 2, les tubes de ce second faisceau sont disposés de préférence les uns à côté des autres à proximité immédiate des tubes extérieurs du premier faisceau, de façon à constituer une couche de faible épaisseur enveloppant entièrement ce premier faisceau.
Les tubes 11 sont évidemment aussi baignés par la saumure ou le fluide à refroidir arrivant par la conduite 8.
L'enveloppe 1 est surmontée d'une cloche 12 assujettie à la plaque 2, et que traverse la tubulure 6 amenant le liquide frigorigène; elle est de faible hauteur, et remplace le dôme-sécheur de ,plusieurs mètres de haut, dont sont pourvus 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.
Le diamètre de base du récipient 7 étant infé rieur à celui de la cloche 13, qui est pratiquement égal à celui de l'enveloppe 1, un espace annulaire 15 est ménagé entre le récipient 7 et la cloche 13, dans lequel débouchent les extrémités inférieures des tubes 11 du second faisceau.
Enfin, un dispositif déflecteur peut être disposé au-dessus des extrémités supérieures des tubes 4 du premier faisceau. Dans la forme d'exécution repré sentée, 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 annulaire étroit, qui dirige la vapeur perpendiculairement à l'axe de l'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, d'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 refroidir, qui arrive par la conduite 8 en véhiculant les calories qu'il a sous traites au circuit d'utilisation, réchauffe le liquide fri gorigène au fur et à mesure que ce dernier s'élève dans les tubes 4 ;
une fraction importante de ce liqui de frigorigène 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'ori fice annulaire étroit de celui-ci communique à cette vapeur et aux gouttes qu'elle entraîne, une vitesse radiale élevée en direction opposée à l'axe de l'appa reil ;
la détente de la vapeur à la sortie de cet orifice a pour effet de réduire la composante horizontale de la vitesse des molécules 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 retournent dans le réci pient 7, par le tube 5.
La vapeur encore humide est ensuite aspirée hors de la cloche 12 par les extré mités 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 proportion 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 débou chaient seulement à la hauteur de la plaque 2, le liquide qui ruisselle sur 1a paroi intérieure de la clo che 12 et sur la face externe de la gouttière 17, en s'écoulant irrégulièrement dans lesdits tubes, s'oppo serait 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 fig. 3), en tôle mince, emmanchées à force dans lesdits tubes.
Lorsque la vapeur encore humide circule à tra vers les tubes 11 du second faisceau, les gouttelettes de liquide qu'elle entraîne sont amenées au contact des parois de ces tubes par des chicanes ou, de pré férence, par une sorte de gouttière hélicoïdale, ayant la forme d'une vis d'Archimède 18, telle que repré sentée à la fig. 3, et qui donne à la vitesse de ces gouttelettes une composante horizontale.
Cette mise en contact permet les échanges, calorifiques entre les gouttelettes liquides qui descendent avec la vapeur dans les tubes 11 et la saumure ou le fluide à re froidir qui s'élève au contact de ces tubes à travers les chicanes en escalier 10.
La saumure ou le fluide à refroidir réchauffe ainsi les gouttelettes entrainées par la vapeur humi de, et en provoque la vaporisation. C'est donc de la vapeur sèche qui parvient dans l'espace annulaire 15 limité 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 thermo statique.
Le niveau du liquide frigorigène dans le tube central 5, qui est indiqué par la ligne II-II, s'établit spontanément à une hauteur critique, dépendant, pour chaque évaporateur, du régime des tempéra tures et du taux de vaporisation.
Réciproquement, le maintien du niveau du liqui de à une hauteur déterminée, en particulier grâce à un régulateur automatique à flotteur, permet d'ob tenir 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 en traînées par le liquide frigorigène se déposent sim plement par gravité sur le fond du récipient 7, si bien que le liquide qui s'élève dans les tubes 4 ainsi que les gouttelettes liquides qui sont entraînées par la vapeur dans la cloche 12, ne contiennent prati quement pas d'huile.
L'huile accumulée au fond du récipient 7 est ex traite par un tuyau de purge, qui débouche au point le plus bas 118 dudit récipient 7, et qui traverse, par exemple, la chambre d'aspiration de la vapeur entre le récipient 7 et la cloche 13. Une partie de l'huile ainsi récupérée peut être, par exemple, ren voyée ensuite dans le carter du compresseur.
Au contraire, lorsque le liquide frigorigène pré sente 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 toutes proportions, les fractions de cette huile qui sont entraînées par le liquide frigorigène restent mélangées dans les gouttelettes de ce liquide que la vapeur entraîne hors du faisceau tubulaire 4 ; une faible partie de cette huile retourne dans le récipient 7 avec les gouttelettes dans lesquelles elle est mélan gée, et qui sont arrêtées par le déflecteur 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 l'espace annulaire 15, puis par la conduite 14, où la vitesse de cette vapeur dé passe cinq m/sec.
Cette huile est donc ramenée par la vapeur sèche dans le carter du compresseur, où elle vient com penser en partie les précédentes pertes d'huile, dues à l'entraînement par le liquide frigorigène.
Evaporator The subject of the invention is an evaporator.
An evaporator is known for producing cold, in which the refrigerant rises in a bundle of vertical tubes, around which circulates the brine or the fluid to be cooled.
In this device, the entire interior surface of the tubes is wetted, which improves heat exchange through their walls, but on the other hand increases the quantity of non-vaporized liquid which is entrained in the form of droplets by the vapor leaving the upper part of the tube. tube bundle. This is why this evaporator is surmounted by a drying dome one to three meters high, in which the droplets of the liquid end up losing their ascending speed, to then fall back into a central descending collector, which brings this liquid to the lower part of the tube bundle.
On the other hand, the separation and recovery of the oil entrained by the refrigerant during its passage through the compressor are carried out in this evaporator only if the refrigerant used is little or not miscible with the lubricating oil, as is the case with ammonia; in fact, the oil is then deposited by settling in the lower part of the evaporator, where it is recovered by periodic purges.
On the contrary, in the case where a refrigerant liquid, such as freon, is used, where the oil is put to target in all proportions, the latter, instead of being deposited in the lower part of the evaporator, remains mixed in the liquid which rises in the tube bundle, as well as in the droplets which are entrained by the vapor coming out of the upper part of said bundle.
The drying of this wet vapor by a device such as a dome dryer, which brings back the droplets entrained in the liquid supplying the lower part of the tube bundle, would therefore have the effect, in this case, of a continuous increase in the percentage of the oil mixed with this liquid, the viscosity of which would increase correlatively, producing a reduction in the heat exchange in the bundle, at the same time as a lowering of the efficiency of the machine;
this is why the drying of the wet vapor produced by a freon evaporator of this known type is generally carried out in a temperature exchanger separate from the evaporator, and where this wet vapor circulates in counter-current, either brine or fluid to be cooled, or refrigerant liquid before it enters the evaporator: one or the other heats said wet vapor, causing the droplets it entrains to vaporize;
the oil which was mixed with these droplets is then dragged towards the compressor by the dry vapor, provided that the speed of the latter exceeds five m / sec.
This known device makes it possible to keep the oil content of the liquid freon and the efficiency of the refrigeration installation constant; it requires this during a device independent of the evaporator, each of them possibly being supplied by a circuit of brine or of fluid to be cooled which is specific to it; it is therefore an expensive device and the calorific balance of which is quite bad.
The evaporator which is the object of the invention is characterized in that it comprises a second bundle of vertical tubes arranged so as to be bathed by the fluid to be cooled and to be traversed from top to bottom by the outgoing humid vapor. of the upper part of the first beam, and by the oil that it can entrain.
The elimination of the dryer dome allows a saving of several meters in its overall height, which is very advantageous in many applications, in particular for refrigerated vessel installations.
The disposition. a second bundle of tubes also allows the use of a refrigerant such as freon, without it being necessary to add to the evaporator a special exchanger to dry the vapor, while avoiding however that the The entrained oil does not return to the refrigerant supplied to the first tube bundle.
The benefit resulting from the economy of an auxiliary device is further increased by an improvement in the calorific balance of the installation, due to the fact that the vaporization of the refrigerant liquid and the drying of the vapor produced are carried out by one and the same. circuit of brine or fluid to be cooled.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the evaporator which is the subject of the invention.
Figs. 1 and 2 schematically show this embodiment in elevation and in plan, respectively in section along lines 1-I and II-II.
Fig. 3 shows, in section, an element of one of the tubes of the second descending bundle, comprising a gutter in the form of an Archimedean screw.
The evaporator shown in section in FIGS. 1 and 2 comprises: a cylindrical casing 1, the two ends of which are closed by plates 2 and 3, in which the ends of the tubes 4 of the bundle where the liquid to be vaporized rises are expanded;
as shown in the plan view of FIG. 2, these tubes are preferably arranged in a regular manner inside a closed contour, preferably circular, the center of which is occupied by a tube 5 of larger diameter, into which the refrigerant supplied by a pipe 6 goes down into a container 7, secured to the plate 3, below the lower ends of the tubes 4 and 5.
The brine or the fluid to be cooled enters the lower part of the casing 1, via a pipe 8, and leaves it at the upper part via a pipe 9, after having circulated in the annular space between the tubes 1 and 5, through baffles intended to slow it down and thereby promote the heat exchange between the brine or the fluid to be cooled which licks the walls of the tubes 4 on the outside, and the refrigerant which rises in these same tubes 4.
These baffles are preferably helical, for example flat rings 10, each comprising a notch in the form of a sector, and connected to each other by vertical elements at the level of the edges of their sectoral notches, which are offset from one another. relative to others at a constant angle.
A space is provided between the wall of the casing 1 and the tube bundle 4; in this interval is arranged a second bundle of vertical tubes 11, the ends of which are also extended in the plates 2 and 3. As shown in FIG. 2, the tubes of this second bundle are preferably arranged next to each other in the immediate vicinity of the outer tubes of the first bundle, so as to constitute a thin layer entirely enveloping this first bundle.
The tubes 11 are obviously also bathed by the brine or the fluid to be cooled arriving via the pipe 8.
The casing 1 is surmounted by a bell 12 secured to the plate 2, and through which the pipe 6 feeds the refrigerant; it is of low height, and replaces the dome-dryer, several meters high, with which known vertical evaporators are fitted.
The lower part of the casing 1 is closed by a second bell 13, secured to the plate 3, and which comprises a pipe 14 connected to the steam suction circuit.
The base diameter of the container 7 being smaller than that of the bell 13, which is practically equal to that of the casing 1, an annular space 15 is formed between the container 7 and the bell 13, into which the lower ends open. tubes 11 of the second bundle.
Finally, a deflector device can be placed above the upper ends of the tubes 4 of the first bundle. In the embodiment shown, it is a funnel 16, fixed above the upper end of the tube 5, and the upper free edge of which is surmounted by a gutter 17, arranged so as to provide with it a narrow annular orifice, which directs the steam perpendicular to the axis of the casing 1.
The operation of this evaporator is as follows The refrigerant arriving through line 6 goes down through tube 5 into receptacle 7, from where it then rises into tubes 4 of the first bundle, of which it wets all of the walls ; the brine or the fluid to be cooled, which arrives via line 8, conveying the calories it has subtracted to the user circuit, heats up the refrigerant liquid as the latter rises in the tubes 4 ;
a large fraction of this refrigerant liqui is vaporized at the upper part of these tubes, from which escapes, above the plate 2, a very humid vapor, that is to say causing many droplets of non-vaporized fluid.
A first drying of this wet vapor is produced by its passage through the deflector; the narrow annular orifice of the latter communicates to this vapor and to the drops which it entrains, a high radial speed in the direction opposite to the axis of the apparatus;
the expansion of the vapor at the outlet of this orifice has the effect of reducing the horizontal component of the speed of the molecules of this vapor, and adding to it an important ascending vertical component, while the drops of liquid retain their horizontal speed high, and acquire a descending vertical component, due to gravity and their high density; some of these drops therefore separate from the descending steam to fall on the funnel 16, from where they return to the receptacle 7, through the tube 5.
The still wet steam is then sucked out of the bell 12 by the upper ends of the tubes 11, which open out approximately at the height of the free edge of the gutter 17. This arrangement makes it possible to obtain a uniform supply of all the tubes. 11 of the second bundle, that is to say the passage in each of them of the same vapor flow, causing the same proportion of non-vaporized liquid, which is essential for obtaining a high yield of installation;
if, in fact, the upper parts of these tubes emerge only at the height of the plate 2, the liquid which flows on the inner wall of the bell 12 and on the outer face of the gutter 17, flowing irregularly in said tubes, it would be opposed to the uniformity of their operation.
The protrusion of the upper ends of the tubes 11 above the plate 2 can, for example, be easily obtained by means of ferrules 19 (see FIG. 3), made of thin sheet, force-fitted into said tubes.
When the still humid vapor circulates through the tubes 11 of the second bundle, the droplets of liquid which it entrains are brought into contact with the walls of these tubes by baffles or, preferably, by a kind of helical gutter, having the shape of an Archimedean screw 18, as shown in FIG. 3, and which gives the speed of these droplets a horizontal component.
This contacting allows exchanges, heat between the liquid droplets which descend with the vapor in the tubes 11 and the brine or the fluid to be cooled which rises in contact with these tubes through the staircase baffles 10.
The brine or the fluid to be cooled thus heats the droplets entrained by the moistened vapor, and causes them to vaporize. It is therefore dry vapor which arrives in the annular space 15 limited by the bell 13 and the receptacle 7, from where it is drawn in by the pipe 14; the supply of refrigerant is ensured by a thermostatic expansion valve. .
The level of the refrigerant liquid in the central tube 5, which is indicated by line II-II, is spontaneously established at a critical height, depending, for each evaporator, on the temperature regime and on the vaporization rate.
Conversely, maintaining the level of the liquid at a determined height, in particular thanks to an automatic float regulator, makes it possible to obtain optimum operating conditions for the evaporator.
When the refrigerant used has little or no miscibility with respect to the lubricating oil of the compressor, as is the case with ammonia, the fractions of this oil which are trailed by the refrigerant are simply deposit by gravity on the bottom of the container 7, so that the liquid which rises in the tubes 4 as well as the liquid droplets which are entrained by the vapor in the bell 12, hardly contain any oil.
The oil accumulated at the bottom of the container 7 is ex treated by a purge pipe, which opens at the lowest point 118 of said container 7, and which passes, for example, through the steam suction chamber between the container 7 and the bell 13. Part of the oil thus recovered can be, for example, then returned to the compressor crankcase.
On the contrary, when the refrigerant liquid has a significant miscibility vis-à-vis the lubricating oil of the compressor, as is the case for freon, in which the oil is roughly miscible in all proportions, the fractions of this oil which are entrained by the refrigerant liquid remain mixed in the droplets of this liquid which the vapor entrains out of the tube bundle 4; a small part of this oil returns to the container 7 with the droplets in which it is mixed, and which are stopped by the deflector 16, 17;
but all the rest of this oil, after the vaporization in the tubes 11 of the second bundle of the droplets of refrigerant which convey it, is entrained by the dry vapor in the annular space 15, then by the pipe 14, where the speed of this vapor passes five m / sec.
This oil is therefore returned by the dry vapor to the compressor crankcase, where it partly compensates for the previous oil losses, due to the entrainment by the refrigerant.