Brevet FR2001243A1 — publié le 19690926

i 2001243 La présente invention concerne un procédé et un appareil pour faire varier l'état ou la condition physique d'un gaz» Les conditions physiques principales envisagées sort la température et la teneur en humidité du gaz„ 5 En faisant varier ces conditions physiques, il est possible de provoquer des opérations de chauffage et de refroidissement, de déshumidification d'un gaz humide, de séchage et . d'opérations générales d'évaporation de liquides telles que le fractionnement, la dessalaison, la concentration et des opéra-10 tions analogues. Suivant une caractéristique de l'invention, le procédé concerne le changement de la condition d'un gaz en utilisant un compartiment de compression et un compartiment de détente, chacun comportant une entrée commandée par line vanne et une 15 sortie commandée par une vanne, chaque compartiment contenant un piston liquide, ces pistons subissant des mouvements alternatifs à l'unisson, mais dans des sens opposés pour aspirer le gaz dans un compartiment à une pression, pour modifier ensuite la pression du gaz dans le même compartiment, le faire 20 passer à la pression modifiée dans l'autre compartiment, rétablir ensuite approximativement la pression initiale du gaz dans ce dernier compartiment, et décharger le gaz de celui-ci, le gaz étant soumis à une opération d'échange de chaleur pendant son passage de l'entrée du premier compartiment à la sortie de 25 l'autre compartiment. L'invention a aussi pour objet un appareil pour modifier la condition d'un gaz, comprenant un compartiment de compression et un compartiment de détente communiquant par leurs extrémités inférieures, le liquide formant dans ces compartiments des JO pistons liquides, une vanne d'entrée et une vanne de sortie pour chaque compartiment, line connexion entre la vanne de sortie de . l'un des compartiments et la vanne d'entrée de l'autre compartiment, un dispositif pour faire osciller le liquide dans les compartiments, et une vanne de sortie supplémentaire répondant 55 au niveau du liquide dans chaque compartiment. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels s 69 02210 2001243 - la figure 1 représente schématiquement en coupe un appareil selon un mode de mise en oeuvre de 1!invention % = la figure 2 représente schématiquement un appareil selon l'invention utilisé pour le chauffage et la déshumidifi-5 cation d'un gaz ; - la figure représente schématiquement un appareil selon l'invention utilisé pour le refroidissement d'un gaz, et - la figure 4 représente une variante de forme d'un appareil selon l'invention, 10 La figure 1 représente un appareil comportant un tube en U partiellement rempli d'un liquide 1„ Des disques séparateurs flottants 2 et 3 sont supportés sur le liquide dans les branches 4 et 5 du tube formant deux compartiments séparés. Les branches 4 et 5 communiquent avec un récipient 15 au. ehambre haute pression 6 à travers des vannes 7 et. 8 et avec un récipient ou chambre basse pression 9 à. travers des vannes 10 et 11, L'oscillation du liquide dans le tube est provoquée de la façon décrite ci-après, et les vannes sont actionnées d'une façon générale en fonction des conditions de pression existant dans l'appareil, 20 Une commande convenable des vannes 7> 8, 10 et 11 permet l'aspiration de l'air à travers un raccord 12 et la chambre 6 vers la branche 4 qui constitue la chambre de détente de l'appareil.L'air peut subir une détente dans la branche 4, être envoyé à basse pression dans la branche 5 à travers la chambre 9 et être comprimé ap-25 proximativement à sa pression initiale dans la branche 5 qui constitue la chambre de compression de l'appareil. L'air sensiblement à sa pression initiale peut être refoulé de la branche 5 dans la chambre 6» Inversement, le gaz peut être aspiré dans la chambre 5 à travers le raccord 15 et la chambre 9, être refoulé sous haute pression ^0 dans la branche 4 à travers la chambre 6 pour sa détente dans la branche 4, et être renvoyé dans la chambre 9 approximativement à sa pression initiale. Les deux cycles considérés ci-dessus constituent la base de fonctionnement d'un appareil selon l'invention, 55 La vanne d'entrée 11 et la vanne de sortie 8 sont simplement des vannes à clapets, actionnées par la différence de pression entre les côtés opposés, ces vannes comportant des ressorts légers agissant pour les fermer. La vanne 7 ne peut pas être actionnée par une simple différence de pression, parce qu'elle doit d'une façon générale limiter la quantité de 40 gaz aspirée dans la branche 4., et par suite elle doit être fermée 69 02210 3 2001243 avant la limite inférieure de la descente du disque flottant 2 pour permettre la détente du gaz dans la branche 4. Comme l'air aspiré dans la branche 4 est toujours à une pression supérieure à celle de la chambre 9, il est préféra-5 ble que le fonctionnement de la vanne 7 dépende de la pression existant dans la branche 5 dans laquelle passe le gaz contenu dans la chambre 9„ La vanne 7 est- commandée de la façon représentée par un vérin pneumatique 14 qui communique avec la branche 5 pour ouvrir la vanne 7 en opposition à l'action de son ressort 15. 10 Quand la pression est suffisamment basse dans la branche 5, c'est-à-dire pour une montée prédéterminée du disque flottant 2, le vérin pneumatique 14 ne peut plus maintenir la vanne 7 ouverte contre l'action de son ressort et par suite la vanne est refermée„ 15 La vanne 10 est ouverte du fait de la différence de pression quand la pression dans la branche 4 est inférieure à celle de la chambre 9, et elle est fermée par commande forcée quand le disque flottant 2 arrive près de l'extrémité supérieure de sa course. Ce fonctionnement peut être provoqué de n'importe 20 quelle façon convenable, par exemple par un aimant 16 du disque flottant 2 excitant un commutateur à retard court 17 commandant un électro-aimant 18 pour la fermeture de la vanne. Il a été constaté qu'en raison de l'inertie du liquide oscillant 1, l'appareil a une tendance naturelle au dépassement de course et 25 par suite, les disques flottants 2 et 3 peuvent avoir tendance à frapper les parties supérieures des branches 4 et 5. Cet inconvénient est évité en emprisonnant une masse de gaz dans chaque branche quand le disque flottant correspondant approche de l'extrémité supérieure de sa course. Du fait de sa cornEressïan, 30 cette masse de gaz constitue un amortisseur pour le mouvement vers le haut du piston liquide afin d'absorber son énergie cinétique, l'énergie du gaz comprimé étant ensuite transmise au piston liquide pendant son mouvement de retour vers le bas. Comme les vannes 7 et 8 ouvrent vers le haut, elles 35 ne peuvent pas rester fermées en opposition: à la pression du gaz comprimé, et par suite, l'appareil comporte deux vannes 19 et 20-farmant vers le haut. Ces vannes sont actionnées en fonction du niveau du liquide, par exemple sous l'action des aimants 21, 69 02210 , 2001243 des commutateurs à retard court 22 et des électro-aimants 235 fonctionnant d'une façon semblable à celle décrite par rapport à la vanne 10. Comme la compression d'un gaz élève sa température 5 et que réciproquement sa détente abaisse sa température, l'appareil peut être utilisé pour un échange de chaleur, afin de chauffer ou de refroidir de l'air ou un autre gaz. Il sera noté que,quand l'une des chambres 6 et 9 communique avec l'air libre, elle peut être supprimée. Cette 10 caractéristique est représentée sur la figure 2, qui illustre le procédé pour un traitement de chauffage, 1'appareil comportant seulement la chambre basse pression intermédiaire 9. Pendant le fonctionnement de l'appareil de la figure 2 pour chauffer de l'air, l'air est aspiré à travers la 15 vanne 7 dans la branche 4 à l'état humide, mais avant que le liquidé ait atteint dans la branche 4 l'extrémité inférieure de sa course, la vanne 7 est fermée. Comme'à ce moment du cycle la vanne 10 est aussi fermée, l'air se détend dans la branche 4, ce qui provoque une condensation partielle dans la branche 4, 20 la chaleur latente de condensation étant transférée au gaz, de sorte que l'enthalpie ou chaleur totale dans le gaz lui-même _ augmente en opposition à l'enthalpie du système gaz-vapeur. Le gaz basse pression est alors transféré à la chambre 9 à une température et à une pression inférieures à la 25 température et à la pression atmosphériques, un échange de chaleur pouvant avoir lieu, si désiré, en utilisant un échangeur de chaleur 24. Pendant la montée du liquide dans la brahche 4, le liquide descend de façon correspondante dans la branche 5 et ce mouvement est utilisé, par ouverture de la vanne 11 pour 30 aspirer dans la branche 5 de l'air à une température et une pression inférieures à la température et à la pression atmosphériques, cet air ayant passé dans la chambre 9 pendant le cycle précédent. Pendant la course de retour du liquide dans la 35 branche 5, les vannes 8 et 11 sont fermées et l'air basse pression à basse température est comprimé approximativement à la pression atmosphérique, et cet air est déchargé pour l'utilisation à travers la vanne 8. Comme l'enthalpie du gaz déchargé 69 02210 s 2001243 a été augmentée par la chaleur latente de condensation de la vapeur initiale contenue, l'air peut être déchargé, même sans , utiliser un échangeur de chaleur 24, plus sec et à une température sensiblement supérieure que l'air aspiré dans la branche 4. 5 Un fonctionnement inverse est utilisé de la façon représentée sur la figure 3, pour refroidir de l?air„ Dans ce cas, l'air est aspiré à travers la vanne 11, comprimé dans la branche 5 et transféré sous une pression et à une température supérieures dans la chambre 6, la chambre 9 n'existant pas» 10 Cet air est soumis à un échange de chaleur, de préférence en utilisant des pulvérisateurs d'eau 25 pour qu'il cède une partie de sa chaleur latente .pour vaporiser l'eau en chauffant en même temps une partie de 1'eau„ L'air refroidi encore sous une pression élevée passe à' travers la vanne 10 dans la branche 4 15 dans laquelle il se détend jusqu'à une température inférieure à la pression atmosphérique et approximativement à la pression atmosphérique pendant la descente du liquide dans la branche 4» Pendant le mouvement ascendant de retour du liquide dans la branche 4, la vanne J est ouverte pour l'échappement dans l'at-20 mosphère de l'air refroidie Comme l'air comprimé chaud convient pour évaporer des liquides, l'appareil peut être utilisé comme évaporateur, par exemple pour dessaler la saumure, et d'une façon générale pour n'importe quelle opération analogue pour la séparation d'un 25 constituant liquide d'un mélange d'une solution ou d'une suspension» Différente cycles peuvent être utilisés sur la base de la compression d'un gaz pour chauffer celui-ci avec pulvérisation d'un liquide contenant d'autres constituants dans le gaz chaud comprimé pendant la compression, afin de vaporiser une partie 50 du. liquide contenu et ensuite une détente suffisante du gaz humide comprimé et chaud pour provoquer la condensation du liquide,, Par exemple, dans l'appareil de la figure 1, de l'air peut être comprimé dans la branche 5 et de la saumure peut être injectée à travers le pulvérisateur 26 dans la branche 5 pendant 55 la compression» L'air comprimé humide peut ensuite être envoyé à travers la chambre 9 dans la branche 4 pour la détente et la condensation de l'eau. Des dispositifs sont prévus dans les branches 4 et 5 pour extraire respectivement l'eau condensée 69 02210 6 2001243 et la saumure concentrée» Ce fonctionnement peut être assure de n'importe quelle façon convenable» Par exemple, pour dessaler de la saumure, le liquide 1 constituant les pistons liquides est de préférence de la saumure, afin que son mélange avec 5 ' de la saumure concentrée dans la branche 5 n'influe pas sur le volume des pistons liquides et que ce volume soit maintenu constant» Comme une augmentation du volume des pistons liquides se traduirait par une augmentation de la pression maximale dans la branche 5, le liquide en excédent peut être évacué automa-10 tiquement à travers une soupape de décompression 27 qui peut être utilisée pour tous les modes de réalisation selon l'invention, lorsque le volume du piston liquide a tendance à augmenter » L'eau condensée dans la branche 4 doit nécessairement 15 être maintenue séparée du piston liquide et être évacuée séparément» Le disque flottant 2 ne peut pas être utilisé de façon satisfaisante comme seule barrière pour séparer le liquide 1 du liquide condensé dans la branche 4, parce que le contact à s frietion nécessaire entre le disque flottant 2 et la branche 4 20 réduirait appréciablement le rendement de l'appareil» Pour cette raison, un autre dispositif approprié, par exemple un manchon souple 28 peut être utilisé entre le disque 2 et la paroi de la branche 4, le liquide condensé étant évacué à travers un conduit flexible 29» 25 Pour un rendement thermodynamique satisfaisant du séchage du produit, la chambre basse pression 9 de la figure 1 peut avoir la forme d'un récipient pour le produit et la chambre haute pression 6 peut former un échangeur de chaleur» L'air humide chaud est aspiré dans la branche 5 pour être comprimé 30 dans celle-ci et être transféré à l'état comprimé chaud dans le chambre 6, après quoi il est aspiré dans la branche 4, dans laquelle il se détend avec perte d'humidité et abaissement de la température du fait que la chambre 6 constitue un échangeur de chaleur» Cet air alors à l'état saturé circule approxima-35 tivement à la pression atmosphérique et progressivement .autour de la chambre 6 et à travers le produit présent dans la chambre 9 pour revenir dans la branche 5 ou échapper à l'air libre» Comme il se produit un échange progressif de chaleur de la 69 02210 7 2001243 chambre 6 vers l'air à une température plus basse, l'air circulant est chauffé et,par suite, il peut progressivement absorber 'l'humidité du produit. Le mouvement du liquide 1 formant les pistons dans les 5 branches 4 et 5 est normalement provoqué par la différence de pression èntre les branches 4 et 5° Bien que les pistons liquides permettent des pertes très faibles par frottement, de l'énergie doit être fournie au système pour compenser les pertes totales d'énergie. Cette compensâtion peut être assurée en utilisant 10 la pompe à vide 30 de la figure 2 ou le compresseur 21 de la figure 3. Dans le cas du fonctionnement avec séchage du produit considéré ci-dessus, de la vapeur d'eau peut être injectée dans la chambre 6 près de la vanne 8 pour introduire de l'énergie dans le système. Cette énergie peut aussi être introduite par un 15 mouvement de l'ensemble du tube en U en utilisant un dispositif à manivelle 32 tel que représenté sur la figure 2 et assurant un mouvement basculant latéral ou un dispositif à manivelle 33 pour provoquer un mouvement alternatif vertical de la façon représentée sur la figure 3. Les mouvements des manivelles con-20 cordent dans les deux cas avec les mouvements du liquide 1. L'énergie peut être aussi fournie au système par d'autres moyens. Bien que les appareils comportant des tubes en U, suivant les figures 1 à 3» conviennent pour de nombreuses applications, ces appareils occupent une place considérable, en 25 • raison de la section transversale importante nécessaire de chaque branche 4 it 5, Pour éviter cet inconvénient, l'appareil peut être réalisé de la façon représentée sur la figure 4, suivant laquelle la branche 4 a une forme annulaire entourant la branche 5„ Il sera noté qu'un" appareil selon l'invention ;peut 30 €tre constitué par plusieurs unités connectées en série «u en . parallèle. Les unités d'un appareil peuvent aussi être interconnectées, par exemple pour la compression dans une branche 5 d'une unité et la détente dans une branche 4 d'une autre unité. Bien entendu, la description qui précède n'est pas 35 limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 02210 s 2001243 REVENDICATIONS 1 - Un procédé pour modifier l'état d'un gaz dans un compartiment de compression et dans un compartiment de détente, chaque compartiment comportant une entrée commandée par une vanne 5 et une sortie commandée par une vanne, et chaque compartiment comportant un piston liquide, caractérisé par le fonctionnement alternatif des pistons à l'unisson, mais dans des sens opposés, pour aspirer le gaz dans un compartiment sous une première pression, avec changement de la pression du gaz dans ce compar-10 timent et son envoi sous la pression modifiée dans l'autre compartiment, et ensuite pour le rétablissement approximatif de la pression initiale du gaz dans le second compartiment et la décharge du gaz de celui-ci, le gaz étant soumis à un échange thermique pendant son passage de l'entrée du premier compar-15 timent à la sortie du second compartiment» 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échange de chaleur est effectué dans un échangeur de chaleur entre les deux compartiments„ 3 - Procédé seloïi la revendication 2, caractérisé en ce 20 que le gaz est chauffé par compression dans le compartiment de compression refroidi dans l'échangeur de chaleur et à nouveau refroidi par détente dans le compartiment de détente. 4 - Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce que le gaz est introduit dans le compartiment de compression à 25 l'état humide, est suffisamment refroidi dans 1'échangeur de chaleur pour la condensation d'une partie du liquide contenu dans le gaz et l'utilisation après détente conjointement avec 1'échangeur de chaleur pour provoquer le séchage par absorption d'une quantité supplémentaire de liquide dans le gaz. 30 5 - Procédé selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le gaz est introduit chaud dans le compartiment de compression et soumis à l'action de pulvérisateurs d'eau pendant la compression,, 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 35 le gaz est comprimé dans le compartiment de compression, du liquide contenant d'autres constituants est pulvérisé dans le gaz pendant la compression pour provoquer l'évaporation d'une partie du liquide et le gaz et la vapeur sont ensuite transférés au compartiment de détente pour provoquer la condensation de la vapeur. COPV \ • 4 69 02210 9 2001243 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est aspiré dans le premier compartiment à la tem- .pérature et à la pression atmosphériques est détendu dans ce compartiment et soumis à un transfert de chaleur à l'état détendu 5 pour augmenter l'enthalpie du gaz, le gaz étant ensuite transféré à l'état détendu au second compartiment, comprimé dans ce compartiment à une température supérieure à la température atmosphérique et ensuite déchargé à cette température supérieure. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à J, 10 caractérisé en ce que l'échappement du gaz est empêché à partir de chaque compartiment pendant la partie supérieure de la course de chaque piston liquide par une paire de vannes commandées d'après la position du piston liquide correspondant. 9 - Procédé selon-la revendication 8, caractérisé en 15 ce que la pression du compartiment de compression est utilisée pour commander la 'fermeture de la vanne d'entrée vers le compartiment de détente. 10 - Un appareil pour changer l'état d'un gaz, comprenant-un CGiïïpart iment de compression et un coinpai'Liment de dé tente 20 communiquant par leurs extrémités inférieures, un liquide dans ce compartiment pour former un piston liquide dans chaque compartiment et une vanne d'entrée et .une vanne de sortie pour chaque compartiment, caractérisé par une connexion entre la vanne de sortie du premier compartiment - et la vanne d'entrée de l'autre 25 compartiment, un dispositif pour faire osciller le liquide dans les compartiments et une vanne supplémentaire sensible au niveau du liquide communiquant avec chaque compartiment. 11 - Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif pour faire osciller le liquide dans les 30 compartiments comporte un dispositif pour faire osciller les compartiments à l'unisson. 12 - Appareil selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'un des compartiments est de forme annulaire autour de-l'autre compartiment. 35 13 - Appareil selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la connexion entre la vanne de sortie de l'un des compartiments et la vanne d'entrée de l'autre compartiment constitue un échangeur de chaleur. 14 - Appareil selon l'une des revendications 10 à 13, 40 caractérisé par un dispositif pour extraire le liquide en excédent.