CA1219224A - Appareil de refrigeration et piege frigorifique comprenant un tel appareil - Google Patents

Abstract

La divulgation décrit un appareil destiné à réfrigérer au moyen d'un agent cryogénique une région déterminée à une température comprise entre la température ambiante et la température de l'agent. On y décrit aussi un piège frigorifique comprenant un tel appareil. La région à refroidir contient l'évaporateur d'un caloduc, lequel contient un fluide diphasique adapté à la température désirée, comprise entre 0 et -100.degree.C environ. Le condenseur du caloduc est en relation d'échange thermique avec un dispositif isotherme maintenu à une température de consigne par exemple, par une bague du cuivre elle-même refroidie par un courant régulé d'azote liquide. Applications au piégeage frigorifique de solvants contenus dans un courant gazeux.

Description

~2~
La présente invention concerne un appareil de ré~rlgéra-tion et un piège frigorifique comprenant un tel appareil. Plus précisément, la présente invention concerne la technique de réfrigération par un agent cryogénique dans la gamme de températures comprise entre la température ambiante et la température de cet ayent, ainsi que son application au piégeage frigorifique de certains constituants d'un mélange de fluides. L'invention s'applique en particulier à la réfrigé-ration par l'azote liquide dans la gamme de températures comprise entre 0 et -100C environ.
L'azote liquide est disponible à une température très basse, qui est - 196C sous la pression atmosphérique.
On ne peut donc l'utiliser qu'indirectement pour refroidir une région déterminée dans la gamme de températures comprise entre 0 et -100C environ. Des techniques courantes consis-tent soit à pulvériser l'azote liquide dans un tunnel ou dans une enceinte où l'on assure la circulation forcée de gaz à
température régulée, soit a faire circuler un liquide calo-porteur entre la région à refroidir et un échangeur de chaleur alimenté en azote liquide.
Ces techniques connues mettent en oeuvre des dispo-sitifs relativement coûteux (pompes, ventilateurs~ qui se justifient lorsque les puissances frigorifiques à échanger sont importantes, mais il existe un besoin d'appareils plus économiques pour les puissances frigorifiques modérées, notamment dans de nombreux cas d'épuration de gaz.
L'invention a pour but de satisfaire ce besoin~ A
cet effet, elle a pour objet un appareil destiné à réfrigérer au moyen d'un agent cryogénique une région déterminée à une température comprise entre la température ambiante et la 7~' température dudit agent, caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc dont l'évaporateur est disposé dans ladite région et dont le condenseur est en relation d'échange thermique avec un dispositif isotherme maintenu à une température de consigne par un courant régulé d'azote liquide, ce caloduc contenant un fluide dont le domaine d'ébullition s'étend de part et d'autre de ladite température de consigne.
Dans le présent mémoire, on entend par "caloduc" tout dispositif de transfert de chaleur comprenant une enceinte étanche qui contient un fluide di.phasique et qui présente une zone de vaporisation appelée évaporateur, une zone de conden-sation appelée condenseur et, éventuellement, une zone adia-batique intermédiaireO
L'invention a également pour objet un piège frigo-rifique pour melange de fluides comprenant une enceinte de circulation du mélange à épurer pourvue d'un appareil de réfri-gération tel que défini ci-dessus.
Dans un mode de réalisation avantageux, l'enceinte a une forme allongée, et llévaporateur du caloduc est constitué

2~ par un tube qui s'étend sur touke la longueur de l'enceinte, à l'intérieur de celle-ci.
Lorsque le piégeage conduit à la formation d'un dépot solide, co~ne c'est le cas dans les opérations de déshydratation d'un gaz, le tube est pour-~u de moyens de chauffage, ce qui permet d'effectuer très commodément la régénération.
Plusieurs modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels:
la figure 1 est une vue en élévation d'un piège frigorifique conforme à l'invention, ~2~
la figure 2 est une vue en élévation d'une variante de piège frigorifique conforme à l'invention, la figure 3 est une autre vue en élévation d'un piège frigori~ique selon l'élévation destinée à récupérer sous forme liquide un solvant contenu en faible quantité
dans un courant de gaz, et la figure 4 est une vue en élévation d'une variante du piège représenté à la figure 1.
Le piège frigorifique représenté à la figure 1 est destiné à éliminer d'un mélange de gaz un ou plusieurs consti-tuants nettement moins volatils, par exemple pour récupérer un solvant coûteux et/ou polluant contenu dans un gaz. Il comprend essentiellement une enceinte 1 pourvue d'un caloduc 2.
L'enceinte 1 est cylindrique, d'axe vertical, et est limitée à sa partie supérieure par une plaque hori-zontale 3. Elle comporte dans sa région inférieure une con-duite 4 d'entrée de gaz à traiter, et dans sa région supérieure une conduite 5 de sortie du gaz épuréO Du point bas de cette enceinte part une conduite de purge 6, les conduites 4 à 6 étant équipées de vannes appropriées.
Le caloduc 2 est un tube métallique qui s'étend suivant l'axe de l'enceinte 1. Ce tube, fermé à chaque extrémité, part du voisinage du point bas de l'enceinte, traverse un trou central de la plaque 3, dont il est solidaire, et dépasse au-dessus de celle-ci sur une courte lon~ueur.
Sur la partie d'extrémité 7 du tube 2 située au-dessus de la plaque 3 est soudée une bague massive 8 en cuivre.
Sur cette dernière est brasé un serpentin hélicoidal 9 relié
à une conduite 10 d'alimentation en azote liquide, laquelle Z~

est pourvue d'une électrovanne 11. Cette électrovanne est commandée par une sonde de température 12 adaptée pour mesurer en permanence la température de la bague 8.
Le tube 2 contient un fluide diphasique qui est tel que la température à laquelle le gaz doit être traité se trouve dans la région moyenne du domaine d'ébullition de ce fluide. En d'autres termes, la température de traitement, qui est choisie de façon que la tension de vapeur saturante du ou des constituants à éliminer soit négligeable, doit être éloignée à la fois du point triple et du point critique dudit fluiden A titre d'exernple, on peut choisir comme fluide le fluide connu sous la marque de commerce de "Fréon R 22" pour les températures de traitement de l'ordre de 0 à - 50C, et l'éthylène pour les températures de traitement comprises entre - 50 et - 100C environ~ Ce dernier cas correspond par exemple à l'extraction du solvant C2H5O~I d'un courant d'azote, extrac-tion qui peut s'effectuer vers - 85C.
Sur toute sa partie contenue dans l'enceinte 1, c'est-à~dire sur l'évaporateur du caloduc, le tube 2 est muni d'ailettes métalliques horizontales 13. Ces ailettes sont décalées horizontalement les unes par rapport aux autres de manière à constituer une série de chicanes qui définissent entre l'entrée ~ et la sortie 5 un trajet sinueux pour le gaz à traiter.
L'ensemble constitué par 1'enceinte 1, le caloduc 2, la bague 8 et le serpentin 9 est entouré d'un calorifugeage approprié.
En fonctionnement, l'électrovanne 11 est ouverte sous la commande de la sonde de température 12 de manière à amener puis à mainten-ir la bayue de cuivre 8 à une température constante inférieure de quelques degrés à la température de traitement du gaz, pour tenir compte de l'imperfection des échanges de chaleur. Du fait de la très grande conductibilité thermique du caloduc 2 (cette conducti-bilité est de l'ordre de plusieurs dizaines de fois celle du cuivre), l'ensemble du caloduc se met en équilibre à cette température. L'azote vaporisé dans le serpentin 9 est évacué par une conduite 14.
Lorsque l'équilibre thermique est atteint, on ouvre les vannes des conduites 4 et 5 de façon à faire circuler le gaz à traiter dans l'enceinte 1. Le gaz entrant, relativement chaud (par exemple à la température ambiante), apporte des calories à la partie du tube 2 contenue dans l'enceinte 1, - et notamment à sa partie inférieure, qui contient du liquideO
En même temps, l'azote liquide apporte des frigories à l'extré-mité supérieure du tube 2, par l'intermédiaire de la bague 8.
Par suite, il se produit une ébullition du liquide au bas du caloduc et une condensation de la vapeur en haut de ce caloduc, dans son condenseur 7. La condensation produit une aspiration de la vapeur vers le haut, et le liquide ainsi formé redescend par gravité.
Tant que le débit de gaz traité est tel que les puissances thermiques mises en jeu restent inférieures aux possibilités du caloduc 2, celui-ci reste pratiquement iso-therme, à la température de la bague 8. Le gaz traité parcourt un tra]et sinueux défini par les ailettes 13, en se refroi-dissant progressivement jusqu'à une température supérieure de quelques degrés à celle du caloduc. Grâce à ce refroidisse-ment, son ou ses constituants les moins volatils se condensent en quasi-totalité sur les ailettes 13 et sur la surface ~2~
extérieure du tube 2, descendant dans l'enceinte 1 par yravité, et son évacués au point bas de celle-ci par la conduite 6.
Cet appareil est économique à réaliser et présente l'avantage important d'apporter les frigories au gaz à traiter exactement au niveau de température nécessaire, ce qui conduit à un excellent rendement.
Pour éviter la formation sur les ailettes 13 d'un film liquide pouvant gêner l'échange de chaleur entre le gaz a traiter et le caloduc, on peut, en variante, disposer l'enceinte 1 horizontalement ou avec une légère inclinaison sur l'horizontale. Ceci présente également l'avantage de diminuer la quantité de fluide diphasique nécessaire pour garantir un bon mouillage de la totalité de la paroi intérieure du tube 2. Quelle que soit l'orientation de ce tube, l'expe-rience montre que le sens de circulation du gaz peut être inversé.
L'appareil de la figure 1 s'utilise dans le cas où
les constituants piégés le sont sous forme liquide. La variante de la figure 2 comporte en outre des moyens très simples de régénération qui permettent à l'appareil de piéger également des constituants qui se solidi-fient, comme c'est le cas pour les opérations de déshydratation des gaz.
En effet, l'appareil de la figure 2 est identique à celui de la fiyure 1, à l'exception de la partie inférieure de l'enceinte 1 : sur l'extrémité inférieure du tube 2 est soudée une deuxième bague massi~e 15 en cuivre analogue a la bague 8. Cette bague 15 constitue une résistance électrique reliée par des fils 16 à une source de courant électrique.
La bague 15 est isolée de l'enceinte 1 par une plaque hori-zontale 17, et la conduite de purge 6 part d'un point situéjuste au-dessus de cette plaque.

~2~ 2~L
Le fonckionnement de l'appareil de la figure 2 est identique à celui décrik plus haut en regard de la figure 1, à
ceci près que l'épuration du gaz traité a pour résultat la formation d'un dépôt solide, notamment de glace, sur le tube 2 et sur les ailettes 13. Après un certain temps de fonctionne-ment, on ferme les vannes des conduites 4 et 5, ainsi que l'électrovanne 11, et on alimente la bague 15 en courant élec-trique. Le caloduc 2 fonctionne alors en organe de transfert de chaleur de bas en haut en chauffant rapidement tout le tube 2 ainsi que ses ailektes. Lorsque la température est remontée au-dessus de 0C, la glace fond et s'écoule par gravité au bas de l'enceinte 1 , l'eau ainsi recueillie est purgée par la conduite 6. Après cette opération de régéné-ration, l'appareil est prêt pour effectuer un nouveau cycle d'épuration-régénération.
Bien entendu, en pratique, on peut coupler deux appareils de ce type dont l'un assure l'épuration du gaz à
traiter pendant que l'autre est régénéré par chauffage.
Comme précédemment, le sens de circulation du gaz peut être inversé, et l'axe du tube 2 peut être disposé au moins à peu près horizontalement. Dans ce dernier cas, les moyens de chauffage peuvent être disposés du même côté
que la bague ~ et combinés à celle-ci. Par exemple, le dégivrage pourrait être obtenu en faisant circuler un fluide chaud dans le serpentin 9. En fait, on peut alors prévoir les moyens de chauffage en n'importe quel point du caloduc.
L'appareil représenté à la figure 3 est destiné à
récupérer sous forme liquide un solvant contenu en faible quantité dans un courant de gaz. Sur cette figura 3, on uti-lise pour désigner les éléments correspondanks à ceux des figures 1 et 2 les mêmes références, affectées du suffixe "A"~
L'appareil de la figure 3 ~st constitué essentielle-ment d'une enceinte en U lA, isolée thermiquement, d'un dispo-sitif isotherme 8A, servant à apporter les frigories néces-saires, et d'un dispositif 18 de récupération de ces frigories.
L'enceinte lA comporte deux tron~cons verticaux, dont un conduit d'entrée 19 relié à une conduite d'amenée 4A, et un conduit de sortie 20 relié à une conduite d'évacuation 5A.
Les conduites 19 et 20 comportent une paroi verticale commune 21.
A sa partie inférieure, cette enceinte est pourvue, dans les conduits 19 et 20, d'une série de plaques ~erticales parallèles 22 ; une conduite de purge 6A équipée d'une vanne part du point bas de l'enceinte lA.
Entre l'extrémité inférieure des plaques 22 et un point situé au-dessus de ces dernieres, l'isolation de la paroi extérieure du conduit d'entrée 19 est supprimée et, au-dessus des plaques 22, cette partie de paroi est traversée par plu-sieurs nappes de caloducs 2A constitués chacun par un tube métallique à ailettes horizontal ou à peu près horizontal.
Ces tubes, tous parallèles, font saillie par leur condenseur 7A à l'extérieur du conduit 19, dans une chambre 23 isolée thermiquement, accolée à ce conduit.
La chambre 23, qui constitue le dispositi~ isotherme 8A, contient, outre la partie en saillie des caloducs 2A, un ventilateur 24 entrainé par un moteur 25, des déflecteurs 26 et une rampe 27 de pulvérisation d'azote liquide reliée à une conduite d'alimentation lOA. Cette dernière est munie d'une électrovanne llA commanclée par une sonde 12A qui mesure la température régnant dans la chambre 22. La paroi de cette chambre comporte un évent 28.

~3 ~2~

Le dispositif 18 de récupération de frigories est const.itué par une série de nappes de caloducs 29 disposées au-dessus des caloducs 2A. Ces caloducs 29 sont constitués par des tubes ailetés horizontaux analogues aux caloducs 2A et traversant syrnétriquement la paroi centrale 21 de l'enceinte lA.
En fonctionnement, la rampe 27 pulvérise dans la charnbre 23 un débit d'azo~e liquide approprié pour y maintenir une température de consigne inférieure de quelques degrés à la température de piégeage du solvant. Cet azote se vaporise dans la char~bre 23, et 1'azote gazeux ainsi engendré est mis en circulation forcée à travers les nappes de caloducs 2A au moyen du ventilateur 24 et des déflecteurs 26, l'excès d'azote gazeux étant évacué par l'évent 28.
Lorsque la température désirée est atteinte, on envoia le gaz à épurer dans la conduite 4A et le conduit 19.
Ce gaz, qui a été éventuellement pré-refroidi par un dispositif approprié non représenté, traverse les caloducs 29, puis les caloducs 2A~ Ceux-ci le refroidissement à la température de piégeage, et le solvant se condense sur ces tubes et sur les plaques 22, qui jouent un rôle de séparateur de phases.
Le gaz épuré remonte ensuite par le conduit 20 et traverse les caloducs 29, auxquels il cède une partie des frigories qu'il a pr~levées aux caloducs 2A. Les caloducs 29 transferent ces frigories dans le conduit d'entrée 19, en assurant ainsi un pré-refroidissement efficace du gaz entrant. ;^
Les caloducs 2A et 29 contiennent un fluide diphasique approprié pour la ternpérature de traitement consi-dérée, par exemple du "Fréon R22" ou de l'éthylène cornrne 30 précédemmentO Ils peuvent en outre contenir une structure _ g -~2~

capillaire favorisant le retour de la phase liquide vers l'évaporateur, éventuellement à l'encontre de la gravité, ainsi que le moulllage intérieur correct de l'évaporateur, comme ceci est bien connu dans la technique des caloducs.
Comme on le comprend, l'évaporateur des caloducs 29 est, comme celui des caloducs 2A, la partie des tubes considérée qui est située dans le conduit d'entrée 19, tandis que la partie de ces tubes extérieure au conduit 19 constitue le condenseur des caloducs.
Il est à noter que la puissance de transfert ther-mique d'un tel appareil peut facilement être adaptée aux besoins en réalisant les nappes de caloducs sous forme modulaire, comme on l'a représenté à la figure 3 pour les caloducs 29.
Comme dans le cas des figures 1 et 2, on peut améliorer l'évacuation du condensat en disposant l'appareil "à plat", éventuellement avec une légère pente' dans ce cas, la figure 3 constituerait une vue de dessus, en coupe hori-zontale, de l'appareil.
L'appareil représenté à la figure 4 est également destiné au piégeage sous forme liquide d'un solvant contenu dans un courant gazeuxO Sa constitution générale est analogue à celle de l'appareil de la figure 1, avec les deux diffé-rences suivantes: d'une part, l'enceinte lB contient plusieurs caloducs 2B parallèles les uns aux autrels. D'autre part, ces caloducs comportent comme source froide un dispolsitif iso-therme commun 8B qui remplace la bague de cuivre 8 de la figure 1.
Le dispositif 8B est un caloduc auxiliaire délimité
par une chambre 30 isolée thermiquement qui est située au-dessus de la plaque 3B qui délimite supérieurement l'enceinte 2~

lB à réfrigérer. Cette chambre 30 contient un fluide diphasique approprié pour la température que l'on désire faire régner dans l'enceinte lB. L'extrémité supérieure 7B
des caloducs 2B est immergée dans le liquide, et un faisceau tubulaire 9B muni d'ailettes transversales occupe la partie supérieure de la chambre 30, dans la phase vapeur. Ce faisceau tubulaire est alimenté en azote liquide, comme à la figure 1, par une conduite 10B munie d'une électrovanne 11B, et l'échappement de l'azote gazeux s'effectue par une conduite 14B. La sonde 12B de commande de l'électrovanne llB
peut mesurer soit la température des caloducs 2B dans l'enceinte lB, comme représenté, soit celle du caloduc auxi-liaire 8B. Par ailleurs, les ailettes horizontales 13B sont communes à tous les caloducs 2B.
En fonctionnement, la vaporisation d'azote liquide dans le faisceau tubulaire 9B amène puis maintient le caloduc 8B, et par suite les caloducs 2B et leurs ailettes 13B, à la température de consigne. On fait circuler dans l'enceinte lB le gaz à épurer, de la conduite ~B à la conduite 5B, le long du trajet sinueux défini par les ailettes 13B. La chaleur apportée par le gaz entrant VapQriSe le liquide contenu dans les caloducs 2B, et la vapeur ainsi formée se transfère dans la chambre 30, en vaporisant du liquide contenu dans cette chambre, autour des condenseurs 7B des caloducs 2B, comme représenté. Simultanément, le liquide de la chambre 30 condense la vapeur dans les caloducs 2B, et le liquide ainsi condensé redescend jusqu'au bas de ces derniers. Le solvant se condense sur les ailettes 13B et sur les caloducs 2B, se rassemble au bas de l'enceinte lB et est évacué par la conduite de purge 6B.

2~
En variante, dans chacun des cas ci-dessus, les tubes à ailettes transversales peuvent être xemplacés par des tubes à ailettes longitudinales; dans les appareils des figures 1, 2 et 4, tout type approprié de chicanes peut être utilisé dans l'enceinte de traitement.
On comprend que l'invention s'applique à l'épura-tion de nombreux fluides, liquides ou gazeux, et plus géné-ralement à la réfrigération totale ou partielle d'une enceinte ou d'un corps à une température quelconque comprise entre la température ambiante et le point d'ébullition de l'a~ote, ou plus généralement entre la température ambiante et celle sous laquelle est délivré l'agent cryogénique utilisé (CO2, oxygène, hydrogène ou gaz rare liquéfié, etc...).

Claims (12)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Appareil destiné à réfrigérer au moyen d'un agent cryogénique une région déterminée à une température comprise entre la température ambiante et la température dudit agent, caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc dont l'évapora-teur est disposé dans ladite région et dont le condenseur est en relation d'échange thermique avec un dispositif isotherme maintenu à une température de consigne par un courant régulé
d'azote liquide, ce caloduc contenant un fluide dont le domaine d'ébullition s'étend de part et d'autre de ladite température de consigne.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le dispositif isotherme est une masse métallique, notamment une masse de cuivre, qui entoure le condenseur du caloduc et qui est elle-même équipée d'un conduit parcouru par le courant d'azote liquide, l'appareil comprenant une sonde de température qui commande une vanne montée dans la conduite d'alimentation de ce conduit.

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le dispositif isotherme est une chambre qui entoure le condenseur du caloduc et qui comporte des moyens de circu-lation forcée d'un fluide gazeux dans lequel est pulvérisé le courant d'azote liquide, l'appareil comprenant une sonde de température qui commande une vanne montée dans la conduite d'amenée d'azote liquide.

4. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que le dispositif isotherme est constitué par un caloduc auxiliaire dont l'évaporateur entoure le condenseur du caloduc principal et dont le condenseur contient un serpentin parcouru par le courant d'azote liquide.

5. Appareil suivant l'une quelconque des revendi-cations 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs caloducs aboutissant à ladite région, et un dispositif iso-therme commun à tous ces caloducs.

6. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé
en ce qu'il comprend plusieurs caloducs aboutissant à ladite région, et un dispositif isotherme commun à tous ces caloducs.

7. Piège frigorifique pour mélange de fluides, du type comprenant une enceinte de circulation du mélange pourvue d'un appareil de réfrigération, caractérisé en ce que l'appareil de réfrigération est conforme à la revendi-cation 1.

8. Piège frigorifique pour mélange de fluides, du type comprenant une enceinte de circulation du mélange pourvue d'un appareil de réfrigération, caractérisé en ce que l'appareil de réfrigération est conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4.

9. Piège frigorifique pour mélange de fluides, du type comprenant une enceinte de circulation du mélange pourvue d'un appareil de réfrigération caractérisé en ce que l'appareil de réfrigération est conforme à la revendication 6.

10. Piège frigorifique suivant la revendication 7, dans lequel l'enceinte a une forme allongée, caractérisé en ce que l'évaporateur du caloduc est constitué par un tube qui s'étend sur toute la longueur de l'enceinte, à l'intérieur de celle-ci.

11. Piège frigorifique suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le tube est pourvu de moyens de chauffage.

12. Piège frigorifique suivant l'une des revendi-cations 10 et 11, dans lequel l'enceinte comporte des chicanes, caractérisé en ce que les chicanes sont constituées par des ailettes solidaires dudit tube.