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.