Procédé de réfrigération. Cette invention a pour objet titi procédé de réfrigération, du genre de ceux dits "à cycle thermodynamique fermé". Suivant l'in vention, on opère avec un agent de travail formé d'un composant qui subit des change ments d'état au cours dudit cycle thermody namique, et d'un composant incondensable dans les conditions où l'on travaille et, qui subit, au cours dudit cycle, une expansion par détente.
Ce procédé permet l'application de liquides à point d'ébullition relativement élevé à la réfrigération à des températures relativement basses, ce qui présente des avantages, tant au point de vue de la sécurité que de la com modité, sur les procédés antérieurs, qui exi geaient l'emploi de gaz ou vapeurs compri més, à la fois difficiles et dangereux à em ployer.
Ce procédé permet de combiner certains avantages du procédé de réfrigération à air froid avec le procédé par compression de va- pëur, et en même temps, d'éliminer certains des inconvénients de ces deux procédés, en réalisant un cycle qui comprend non seule- ment une vaporisation, une compression et une liquéfaction, comme dans le cycle à va peurs, mais aussi une detente, comme dans le cycle à air froid.
Ce cycle peut être réalisé de telle ma nière qu'on se rapproche plus du point de réversibilité théorique qu'à l'aide de l'ün quel conque des cycles Clausius ou Joule inversés, procédés connus et employés jusqu'à ce jour pour la réfrigération.
Comme on le sait, les procédés de réfrigéra tion connus, à "cycle thermodynamique fermé" comprennent tous une ou plusieurs des opé rations appelées : compression, condensation ou liquéfaction, vaporisation ou ébullition, et détente; et, dans tous les cas, ces opérations sont effectuées dans et par certains dispositifs tels que : pompes, chambres, moteurs, tuyères, etc. sur des fluides appelés agents de travail.
Celles des susdites opérations qui peuvent intervenir dans tout cycle ou procédé envi sagé dépendent évidemment principalement des propriétés thermodynamiques de l'agent de travail y employé. Par exemple, dans le cycle Joule inversé ancien et bien connu où le procédé de réfrigération à air froid, l'agent de travail est l'air, et il s'ensuit que ce cycle ne comprend que deux des opérations sus mentionnées, à savoir la compression et la détente, puisque l'air n'est ni liquéfié ni va porisé, mais reste gazeux, et que seule la chaleur est transformée en énergie cinétique par la détente de cet air pour produire la réfrigération.
Le procédé à air froid présente par conséquent l'inconvénient que, pour pro duire la réfrigération à des températures mo dérément basses, par exemple de -17,7 à -1,1 C, le volume d'air manipulé doit être -trés grand, ou bien la pression doit être plus élevée que celle nécessaire à la compression produisant des températures plus basses que celle requise, ce qui implique des pertes ther iniques et mécaniques considérables.
Au contraire, dans le procédé ancien et bien connu du cycle Clausius-Bankine inversé, ou procédé de réfrigération par compression de vapeur, l'agent de travail n'est pas un gaz mais un liquide de faible point d'ébulli tion tel que l'ammoniaque ou l'anhydride sul fureux dont la vapeur est enlevée à une tem pérature (et une pression) inférieure constante unique puis est comprimée et liquéfiée ît une température (et une pression) supérieure cons tante. Il s'ensuit que ce procédé n'implique que les trois phases de compression, de liqué faction et de vaporisation puisque le liquide est ramené, à l'état chaud, de la phase à pression supérieure à la phase à pression in férieure sans aucune détente.
Une des causes du mauvais rendement de ce procédé est que le liquide chaud est ramené sans changement de volume, puisqu'un liquide ne petit pas se détendre comme une vapeur ou un gaz, d'où il résulte que, dans la théorie comme dans la pratique, cette phase est totalement irré versible. Toutefois, les inconvénients qui sont peut être les plus sérieux de ce procédé sont dus à certaines propriétés inhérentes au li quide lui-même.
Comme tous les liquides or dinaires et commodes tels que l'eau ou l'alcool n'ont que de très faibles pressions de vapeur (inférieures à 2,5 cm de mercure) aux tem pératures de réfrigération, aces liquides n'ont jamais été emplot-és sur une échelle pratique puisque, à la connaissance de l'inventeur, aucune méthode pratique n'avait été pro posée pour enlever la vapeur de ces liquides aux pressions extrêmement faibles envisagées.
On est par conséquent obligé d'avoir recours aux liquides ayant des pressions de vapeur pratiques aux températures de réfrigération, comme l'ammoniaque, l'anhydride sulfureux, etc. malgré les pressions désavantageusement élevées des vapeurs aux températures ordi naires. Une autre propriété inhérente des liquides, à savoir leur tendance à se sur chauffer pendant l'évaporation, rend l'ancien procédé par compression de vapeur très inef ficace, spécialement dans le cas de certains liquides.
Le point d'ébullition d''un liquide est la température à laquelle sa pression de vapeur est égale à la pression totale à laquelle le liquide est soumis, usuellement la pression atmosphérique, et un liquida commence à bouillir, c'est-à-dire à émettre des bulles de vapeur, quand sa température a été élevée à un point auquel sa pression de vapeur est égale à la pression totale exercée sur sa sur face.
Les bulles de vapeur sont toujours émises à certains points définis où de petites bulles de gaz (qu'elles soient émises par le liquide ou qu'elles soient dues à de l'air adhé <B>rant</B> au récipient) sont présentes. A mesure que se produit l'ébullition, le nombre de ces points diminue à cause de l'expulsion du gaz et, après ni) certain temps, ces points dispa raissent totalement. La température s'élève alors de plusieurs degrés au-dessus du point d'ébullition sans que ceci soit accompagné d'une formation de bulles.
Toutefois, finale ment, un afflux explosif de vapeur se déve loppe usuellement sous forme d'une grande bulle provenant du fond du récipient, la tem pérature retombant alors au point d'ébullition, et ce processus se reproduit. Selon Aitken (187.1) l'ébullition normale n'a lieu que si des bulles ou cavité, et par suite la vapeur du liquide, sont présentes. Ce résultat est tout à fait général ; la transformation des phases tic s'accomplit normalement que si les deux phases sont présentes.
S'il n'y a qu'une phase présente, la transformation en l'autre est en retard sur le changement de tempéra tures ou de pressions, puis s'effectue violem ment et de façon spasmodique.
Dans le procédé de réfrigération habituel, l'ébullition normale est presque entièrement empêchée en raison de l'élimination de tout le gaz non condensable du système, élimina tion qui est rendue aussi complète que pos sible parce qu'il était depuis longtemps admis que des gaz de ce genre ne peuvent avoir que des effets nuisibles.
Cet ancien procédé est particulièrement insuffisant pour assurer l'ébullition normale des liquides de point d'ébullition plus élevé, ceci ayant comme résultat que le rendement volumétrique apparent de la pompe ou com presseur reçoit une valeur trop faible dans la pratique.
Même dans le cas des liquides du type ordinairement employé, le procédé, de réfri gération habituel n'assure qu'une ébullition spasmodique, et la densité de la vapeur ad mise au compresseur est souvent bien infé rieure à celle correspondant à la température réelle du réfrigérant.
En outre, comme il est impossible de chauffer inégalement un réci pient ne contenant que du liquide et de la vapeur lorsque, ainsi que c'est usuellement le cas, plusieurs températures de réfrigération sont désirées, toute la chaleur doit être ab sorbée à la température et la densité de va peur les plus basses, ce qui a comme résultat un mauvais rendement, ou bien il faut pré voir un système séparé travaillant à une contre-pression différente.
L'utilisation selon l'invention d'un agent de travail formé de deux composants men tionnés au début, assure un travail en cycle fermé comprenant une vaporisation, une com pression, une liquéfaction et une détente. Quoique on se propose d'exposer ces quatre phases du procédé séparément, et ce dans un but de clarté, il est bien entendu qu'il n'est pas nécessaire que les phases soient mises en pratique séparément et, en fait, elles peuvent réellement se recouvrir dans la pratique.
Le dessin annexé représente, schématique ment et à titre d'exemple, Lui appareil à l'aide duquel ce procédé peut être exécuté.
Dans ce dessin, 1 représente une chambre ou chaudière de vaporisation contenant du li quide comme -représenté, laquelle chambre est placée dans l'espace à réfrigérer et est reliée par un tuyau 2 à un dispositif de compres sion 3, tandis que 4 est un dispositif de con densation et 5 un dispositif de détente, tous ces dispositifs étant reliés entre eux par des tuyaux, comme représenté, pour constituer, en combinaison, un circuit fermé pour l'agent de travail. On admettra que l'espace non oc cupé par du liquide soit rempli de la vapeur du liquide et d'un gaz non condensable con venable.
La mise en pratique de l'invention peut être effectuée de la façon suivante: Après mise en marche du dispositif de compression 3, qui peut être actionné de toute manière con venable, les quatres phases du procédé sui vant -l'invention s'accomplissent d'une façon continue pendant que l'agent de travail est contraint à traverser le système, et de la chaleur est absorbée par l'organe 1 et aban donnée par l'organe 4, qui est à une-tempé- rature plus élevée, par suite de l'ébullition du liquide dans ledit organe 1 et de la con densation de vapeur dans ledit organe 4.
La mélange de vapeur et de gaz retiré de l'or gane 1 est comprimé à une pression totale plus élevée par l'organe 3, et le mélange de vapeur et de gaz quittant l'organe 4 est détendu, au contact thermique du produit de condensation qui s'y forme, de la pression totale supérieure à la pression totale infé rieure; par le dispositif de détente 3, d'on il est renvoyé dans la chaudière 1.
On supposera, par exemple; que le con- denseur abandonne de la chaleur à une tem pérature finale de + 25 C et qu'on désire produire la réfrigération à une température de limite inférieure de - 5 C et une tem pérature de limite supérieure de -f- 5 C avec, par exemple, un mélange d'air et de tétrachlorure de carbone, dont la tension de vapeur n'est qu'environ 2,5 cm de mercure à - 5 C et environ 15,2 cm à 25 C ; et que la pression partielle du constituant non condensable (air) du mélange est d'environ 63,4 cm, de sorte que la pression totale à - 5 C est environ celle de l'atmosphère ;
et l'on décrira maintenant en détail les phases séparées du procédé en commeneant par la phase d'expansion.
Le dispositif d'expansion 5 qui peut re cevoir une forme quelconque, préférablement du type cinétique, et qu'on a supposé être une tuyère de turbine, est disposé de telle sorte que, recevant le mélange de vapeur et de gaz de l'organe 4 à une atmosphère de pressiont totale, il le laisse se détendre jusque, environ, 15,2 cm de mercure, ou 61 cm de vide, ce mélange empruntant de la chaleur au liquide qui provient du condenseur et qui est entraîné avec ledit mélange et trans formant cette chaleur en énergie cinétique dont ou dispose pour effectuer le travail.
Les courants de liquide et de mélange gazeux sont alors délivrés à l'intérieur de l'organe 1 à la pression totale, supposée être 15,2 cm, la pression de vapeur partielle étant une fraction de cette valeur, comme elle l'était à l'orifice de sortie du condenseur 4.
La phase suivante, à savoir la vaporisa tion du liquide, a lieu dans la chaudière 1. L'introduction continuelle du mélange gazeux avec le liquide empêche le surchauffage qui résulte ordinairement de l'enlèvement cons tant de la vapeur comme dans le procédé or dinaire, puisque de nouveaux vides sont con tinuellement formés dans le liquide par le gaz non condensable, de sorte que les condi tions .prescrites pour l'ébullition normale sont constamment maintenues.
Par suite de ces dispositions, le point d'absorption maximum de chaleur est situé au contact ou très près de la tuyère ou dis positif d'expansion 5. L'absorption de cha leur continue à un degré moindre à mesure que le mélange de vapeur et d'air se détend en s'élevant à travers l'agent frigorifére li quide que renferme la chaudière 1, mais à des températures progressives croissantes, en raison de la tendance du liquide le plus chaud à s'élever et à rester près de la surface.
Cette tendance à des températures progres sivement croissantes du liquide dans une chau dière du type représenté est au moins en partie annulée par l'agitation continue du liquide résultant de la détente, dans ce li quide, de la vapeur et du gaz arrivant du dispositif d'expansion 5, laquelle détente tend à produire la circulation du liquide et une égalisation des températures.
Lorsque le li quide qui se trouve dans la partie supérieure (le l'organe est porté à, par exemple, -r 5 C, la pression de vapeur peut s'élever sais in fluencer la pre#s:
on totale, et ce, saris que ceci ait d'effet sur la pression de vapeur par tielle à l'entrée, laquelle pression reste la même fraction de la pression totale que pré cédemment, c'est-à-dire la sixième de 15,9 cm, soit 3,5 cm, pression correspondant à - 5 C. La vapeur plus dense correspondant à la température plus élevée est alors retirée de la chaudière par la pompe 3 puisqu'elle ne petit pas revenir à la partie plus froide et s'y condenser.
En fait, la pression de vapeur augmente et l'air se détend à unie pression partielle plus base pendant cette phase, la pression totale du mélange restant sensible ment constante.
La phase suivante est effectuée par l'or gane 3 qui remit le mélange d'air et de va peur par le tuyau 2 et le refoule à l'état comprimé dans l'organe 4. Comme la pression totale du mélange admis est de beaucoup su périeure à la pression partielle de la vapeur, même à la température de réfrigération su périeure, cette phase peut être effectuée corn- modénrent et efficacement dans des dispositif qui seraient entièrement inutiles dans l'an cien procédé à vapeur. Dans l'exemple donné, i1 serait nécessaire de maintenir un vide de 73,7 cm par le procédé habituel, ce qui est industriellement impossible.
De plus, même avec une pompe très efficace, le surchauffage du liquide, qu'il est impossible d'empêcher dans l'ancien procédé, a comme résultat que la pression de vapeur réellement effective dans la pompe est de beaucoup inférieure à celle qui serait nécessaire si la vaporisation normale pouvait être maintenue comme dans le procédé suivant l'invention. Par conséquent, au lieu qu'une pompe plus puissante soit né cessaire pour un degré donné de réfrigéra tion, la même pompe produira réellement plus de réfrigération avec le présent procédé, sim plement parce que l'air a à la fois assuré une densité de vapeur normale et une élévation de la pression totale.
La phase finale du procédé consiste à re froidir le courant de mélange de vapeur et d'air, de préférence progressivement et gra duellement, dans l'organe 4. La pression to tale du mélange délivré par l'organe 3 est supposée être de une atmosphèré. Pendant la phase de compression, sa température aura nécessairement été portée à, par exemple, -1- 35 C, de sorte que, au commencement de la phase de condensation, la pression de vapeur partielle correspond à, environ, 17,8 cm de mercure.
Par conséquent, la pression d'air partielle est de 58,5 cm, et leur somme est une atmosphère. Lorsque le courant de mé lange traverse l'organe 4, il se refroidit, de préférence par son contact thermique avec un courant d'eau ou d'air circulant en sens con traire, de sorte que la pression de vapeur partielle tombe graduellement, tandis que la pression totale reste sensiblement constante, soit une atmosphère. A l'achèvement de la phase, la pression de vapeur partielle s'est abaissée, avec la température, à environ 12,7 cm, tandis que l'air a été comprimé de 58,4 à.<B>63,5</B> cm, en raison des principes ci- dessus énoncés. Pendant ce temps, la vapeur s'est liquéfiée et a abandonné de la chaleur.
Le liquide et le mélange de vapeur et .d'air rentrent ensuite dans le dispositif d'expansion et le cycle est terminé.
Il ressort de ce qui précède que les tem pératures de réfrigération sont, dans le pré sent procédé de réfrigération, déterminées par la pression totale régnant dans le conden- seur, au lieu que ce soit par le réglage de la contre-pression comme dans le procédé de compression de vapeur, et il en résulte que les températures de réfrigération peuvent être abaissées en élevant la pression d'air partielle régnant dans l'organe 4 pendant qwon maintient sa température constante.
On voit que la présente invention permet d'obtenir, avec des liquides de tension de vapeur relativement basse, des effets de ré frigération pratiques, et l'on voit que, en em pêchant le surchauffage du liquide qui s'éva pore, ce qui s'obtient en détendant une partie de l'agent de travail et en absorbant de la chaleur à la température la plus élevée pos sible, le cycle thermodynamique suivant l'in vention peut être réalisé de telle sorte qu'on atteint un- point plus proche de la réversibi lité théorique qu'à l'aide soit du cycle Clau- sius-Rankine, soit du cycle Joule.