Brevet FR2115103A1 — publié le 19720707

L'invention est relati@e à une colonne spécialement adaptée à la déshydratation et au dégazage simultanés du diélectrique liquide d'un transformateur électrique ou d'un autre appareil similaire. Les noyaux bobinés des transformateurs électriques, des disjoncteurs rhéostats, ajusteurs de tension, etc, sont généralement plongés dans un li quide isolant dont le rôle est d'assurer l'isolement entre conducteurs et spécialement dans le cas des transformateurs de transmettre la chaleur à évacuer du noyau bobiné aux parois: ailettes ou autres éléments réfrigé- rants. Ce liquide isolant, appelé également diélectrique liquide, est en général une huile traitée spécialement pour cet usage. Il renferme souvent de l'eau et des gaz, à l'état dissous, introduits lors de la construction, de la réparation, ou autres opérations effectuées sur les appareils. De l'air athmosphérique et l'eau qu'il contient se dissolvent égale ment à la surface de contact du diélectrique avec l'air, spécialement à l'occasion des changements de température auxquels le transformateur est soumis. Or on a intérêt, à disposer de diélectriques exempts d'air et d'eau puisque la teneur en eau dissoute a une influence directs sur 'a rigidité diélectrique, qui fait l'objet d'une réglementation. Par ailleurs, un liquide diélectrique exempt d'air, donc avide d'air, dissclvera d'air emprisonné par les inégalités des bobinages au cours di- remplissage d'un appareil i:iv mergé, de sorte que l'isolement en sera beaucoup plus sur Les procédés dont on dispose actuellement pour deshydrater et "dégazer" simultanément un diélectrique liquide consistent à faire passer le liquide chauffé à une température adéquate dans un un réservoir sous vide. Lors de la traversée de ce réservoir, le liquide est étale ou divisé aussi finement que possible de façon à présenter une surface de contact très grande et constamment renouvelée avec l'atmosphère raréfiée. Ces appareils doivent travailler à une température nettement inférieure à la température de saturation du diélectrique correspondant à la pression absolue régnant dans l'appareil, ceci afin d'éviter un entrainement de vapeur de diélectrique important. Le vide est réalisé par une pompe ou un groupe à vide. On intercale quelquefois un condenseur entre le déshydrateur et le groupe à vide mais ce condenseur de dimensions relativement faibles n'a pour but que de réduire la quantité de diélectrique intrainée. Or dans un déshydrateur à grande surface, les teneurs finales en eau ou en gaz d'un diélectrique liquide sont inversement proportionnelles au dé bit volumétrique de gaz et de vapeur raréfiée qui traversent le réservoir, rapporté au débit de diélectrique liquide; ceci est vrai quelles que soient la nature et la pression de ces gaz et vapeurs (dans la mesure où il n'y a pas d'introduction d'eau ou de gaz en cours de traitement). Pour obtenir une bonne et rapide séparation on est amené, empiriquement d'ailleurs, à employer des groupes à vide poussé de très grand débit. Certains constructeurs injectent de l'air très sec ce qui évite le vi de très poussé; le procédé se justifie pour la déshydratation mais pas pour le dégazage. L'invention palie à ces inconvénients, en proposant me colonne spécia lement adaptée à a déshydratation et au dégazage simultanés d'un diélectrique liquide en maintenant un débit volumétrique important de gaz et de vapeur qui ne nécessitera pas pour autant une installation de vide importante. Une première caractéristique de l'invention, est que la colonne comprend des surfaces de répartition, réchauffées sur une grande partie de leur hauteur, sur lesquelles circulent, par gravité, le liquide diélectrique @@, à contre-courant, une vapeur sa@urée du même liquide, c'est-à-dire de @ fraction la plus volatile, introduite à dessein ou non. L'eau et l'air pas- s@ qt di;i Une deuxième caractéristique, selon une variante, est que la colonne comprend deux éléments séparés par des corps ou surface de répartition le premier est destiné à amener la vapeur ou à la former sur place, le deuxième à la recueillir et à la canaliser vers les surfaces condensantes; dans ce cas' le tqiiîde descend également par gravité mais la vapeur circu le horizontalement. L'invention sera bien comprise en se référant à la description suivante ainsi qu'aux dessins annexés dans lesquels - les figures 1 à 5 représentent des vues schématiques en coupe de colonnes de déshydratation dans lesquelles les gaz et vapeur circulent verticalement de bas en haut et à contre-courant du liquide. - la figure 1 représente une colonne munie d'un tube de chauffage à serpentins. - la figure 2 est une colonne munie d'un chauffage par injection de vapeur ou de liquide surchauffé. - la figure 3 représente une colonne munie d'un type de chauffage par conduction. - la figure 4 est une variante de la figure 3 - la figure 5 est une variante dans laquelle la périphérie de la colon ne a été constituée en condenseur. - les figures 6 à 8 représentent des coupes schématiques de colonnes dans lesquelles la vapeur est formée le long de surfaces verticales et circule transversalement par rapport au liquide. - la figure 6 constitue une première variante pour laquelle la périphérie de la cuve est constituée en condenseur. - la figure 7 est une deuxième variante pour laquelle l'évacuation des gaz et vapeur s effectue dans le conduit central. - la figure 8 est une combinaison des figures 6 et 7. Dans tout ce qui sera décrit par la suite, la vapeur qui circule dans la colonne sera toujours une vapeur saturée puisqu'en effet, sa température est pratiquement égale à celle du liquide, vu le rapport élevé entre leurs chaleurs spécifiques et leur grande surface de contact. Si l'on veut que la vapeur de diélectrique circule sans se condenser, pour qu'il y ait effectivement échange d'eau et de gaz dissous, il faudra que le liquide qu'elle traverse soit plus chaud au départ des vapeurs qu'à leur sortie, puisque l'on sait que la tension d'une vapeur saturée croit ou décroit com me la température. La vapeur saturée circulera donc dans la colonne puis que sa pression absolue sera décroissante dans le sens de son mouvement. Pour que ces conditions soient réalisées, et comme il est préférable que le liquide circule par gravité dans la colonne, on fera circuler les vapeurs de bas en haut, en réchauffant le liquide dans sa descente. On pourra également faire circuler les vapeurs horizontalement dans le liquide, celui-ci étant en tete de colonne porté à une température décroissante du cBté arrivée des vapeurs au covté sortie. On aurait pu également faire circuler les vapeurs de haut en bas en refroidissant le liquide pendant sa descente, mais cette solution ne peut autre retenue, puisqu'elle ne favorise pas les échanges de vapeur d'eau et d'air entre le liquide et la vapeur saturée. On se réfère maintenant aux figures 1 à 5 qui sont des vues schématiques de colonnes dans lesquelles la vapeur saturée circule à contre-cou rant du liquide. Suivant figure 1, le liquide diélectrique à déshydrater arrive en tete de colonne par le conduit 1 dans un réservoir de distribution 2 présentant à sa base de nombreux orifices 3. I1 est répandu sur des surfaces de répartition de type connu, plans inclinés ou mieux anneaux Raschig 4 entre lesquels il ruisselle et descend par gravité jusqu'au pied de la colonne. Ces surfaces de répartition reposent sur une surface perforée 5 de forme quelconque, par exemple plane comme représenté, et qui va permettre l'évacua tion du liquide déshydraté et dégazé au pied de la colonne par le conduit 6. Sur la hauteur utile et dans les surfaces de répartition 4 de la colonne sont noyés un ou plusieurs serpentins tels que 7 dans lesquels est amené à grand débit par le conduit 8 un fluide de chauffage recyclé par le conduit 9. Ainsi, le diélectrique liquide est réchauffé tout au long de sa descente. Le serpentin peut également titre remplacé par des résistances électriques enrobées ou non. Différentes variantes du réchauffage, ont été représentées aux figures 2 à 5. Suivant figure 2, le conduit 8, est muni de prolongements de formes appropriées placés dans les surfaces de répartition 4. Ces prolongements 10 percés d'orifices 11, injectent un surplus de liquide surchauffé ou de vapeur, en de nombreux points répartis dans tout le volume des surfaces de répartition. A la figure 3, la chaleur de ré chauffage du liquide diélectrique est amenée par des surfaces telles que 12 reliées soit à un ou plusieurs conduits 13, soit à l'enveloppe 14, de la colonne, soit aux deux à la fois. L'ap port de chaleur dans les surfaces 12 est provoqué par la circulation d'un fluide amené en 8 dans le ou les conduits 13. Cette circulation peut éventuellement etre remplacée par des résistances électriques enrobées ou non. La paroi 14 peut également etre réchauffée par la circulation d'un fluide entre elle-meme (14) et une autre paroi 15, ou par un serpentin de réchalf fage soudé à sa surface ou par des résistances électriques. Les plaques de ré chauffage 12 peuvent servir de surface de répartition, mais il est également possible d'intercaler entre elles des anneaux de Raschig. A la figure 4, un conduit 16 chauffé par circulation ou électriquement est muni d'ailettes 17 qui assurent à la fois le réchauffage du liquide et le rôle de surface de répartition. A la figure 5, les gaz et vapeurs au lieu d'etre évacués par le haut circulent d'abord entre deux parois 51 et 52 avant de sortir par la tubu lur-e 53. Alors que dans les figures 1 à 4 on a prévu un calorifugeage entre la paroi extérieure et une enveloppe 18, la paroi extérieure 52 est ici refroidie naturellement ou par tout autre moyen approprié en sorte quelle joue le re du condenseur et qu'elle remplace celui-ci au moins partiellement. Dans tous les dispositifs suivant figures 1 à -5, on doit naturellement amener ou former de la vapeur au bas de la colonne. On amène pour cela de la vapeur ou du liquide surchauffé par le con- duit 20 placé juste au dessus ou mieux au dessous de la grille 5; la vapeur peut également autre produite "in situ" en plaçant au dessus ou en dessoles de la grille un serpentin réchauffeur ou des résistances électriques de pré- férence enrobées. La vapeur saturée circule sur les surfaces de répartition à contre courant du liquide, et monte dans la colonne en e -'t l'ea@ et les g. z contenus dans le liquide. Cette vapeur saturée, est aspirée par une pompe à vide 21 précédée d'un condenser 22 raccorde par le conduit 23 en de colonne. Un courant abondant de vapeur permet de libérer la quasi tot@ lité de l'air et de l'eau dissous dans le liquide diélectrique en un seul p?::-- sage dans une colonne de hauteur convenable I1 faut, pour réaliser ce débit important et constant amener ou vaporiser au pied de la colonne le débit choisi en apportant la chaleur de vaporisation correspondante, et réchauf fer les surface de répartition. A titre d'exemple, on a établi pour une colonne dont la section horizontale des corps de répartition est de un m2 un tableau des valeurs sui vantes H: hauteur de la section considérée par rapport à la section de hauteur zéro, en mètres 0 : température dans la section considérée, en degrés absolus P: pression absolue en "torrs" dans la section, sensiblement égale à la tension de vapeur du diélectrique à la température # D : le débit de vapeur en kilo par mètre carré et par heure B : le débit de diélectrique dans la même section en kilo par mètre carré et par heure. Q : quantité de chaleur communiquée aux surfaces de répartition par mètre cube. Cette chaleur a été seulement communiquée de zéro à quatre mètre H # P D B Q m :C Torrs kg/m2.h kg/m2.h Keal/m3 0 358 0,21 16,- 6200 2330 1 357,1 0,20 15,2 6199 2330 2 356,3 0,19 14,4 6198 2330 3 355,4 0,18 13,5 6197 2330 4 354,6 0,17 12,8 6196 2330 4,10 354,5 0,17 10,2 0 4,20 354,5 0,17 7,7 0 4,40 354,4 0,17 5,1 0 Sur toute la partie de la colonne qui subit ainsi le ré chauffage, on a admis que la vapeur avait Une vitesse constante de 1,8 mètre par seconde. son remarque que Q est sensiblement constant sur toute la hauteur. En haut de colonne, le réchauffage est arrenté, afin d'éteindre une par tie de la vapeur et diminuer ainsi la puissance du condenseur à utiliser. On remarquera que si 0 et P restent à peu près constants, il suffit de ne pas réchauffer sur quarante centimètres pour que le débit D de la vapeur tombe aux quatre dixièmes de a chaleur. On se réfère maintenant aux figures 6 à 8 qui montrent schématique ment, en coupe, des colonnes dans lesquelles la vapeur circule transversalement par rapport au liquide. Dans la figure 6, le liquide est amené par le conduit 24 à la partie supérieure d'une colonne munie d'une grille 25 perforée à l'exception de la surface correspondant à la partie annulaire 26 délimitée par la paroi externe 27 et par une paroi perforée 28. Si les surfaces de répartition employées sont des anneaux de Raschig 29, la paroi perforée 28 doit compor ter des ouvertures en forme d'auvents de façon à faire retomber le liquide dans les surfaces de répartition.Un conduit central 30 produit de la vapeur le long de sa surface verticale dans les anneaux de Peschig. La chaleur de vaporisation provient par exemple d'un fluide surchauffé amené en 31 au pied de la colonne et récupéré en 32 à la tête Ge mode de chauffage peut etre remplacé par des résistances électriques enrobées ou non; en fin le tube 30 peut etre perforé et amener du diélectrique sous forme de vapeur ou de liquide, surchauffé, qui se vaporise à sa surface. Dans les couches supérieures, il s'établit un état d'équilibre de sorte qu'après un certain temps de descente du liquide2 la vapeur est saturée en tout point. La température, constante le long du conduit central, baisse quand on se rapproche de la paroi 28. En effet, cette variation est due à la perte de pression subie par la vapeur saturée dans son déplacement à travers les surfaces de répartition. L'abandon de gaz et vapeur d'eau dissous s'effectue donc dans l'enceinte 31' dont la température décroit depuis le tuyau central jusqu'à la paroi 28. Des surfaces 32' ou des conduits 32", sont répartis en tete de colon ne autour du conduit central, et ont une forme telle qu'elles provoquent une température decroissante pour le liquide du conduit central 30 à la paroi 28. Ainsi, les vapeurs circulent horizontalement dans le liquide qui descend par gravité et dont la température dé croit du coté arrivée de la vapeur au cté sortie. Cette solution exige la formation et donc la condensation de beaucoup plus de vapeur que dans le cas précédent. La surface extérieure 27 est ici utilisée avantageusement pour la condensation. Un grou pe condenseur pompe à vide aspire les gaz et vapeurs par une conduite 33 qui débouche dans l'enceinte 26. Le liquide déshydraté et dégazé est récupéré en 34. Le condensat peut rejoindre le liquide traité ou entre repris en 55. La figure 7, est une variante de la figure 6, dans laquelle la vapeur est amenée ou formée le long des surfaces verticales 35 de l'enceinte 36 pour etre évacuée par le conduit central 37 après avoir circulé horizontalement dans l'enceinte 38 comprenant des surfaces de répartition 40. Les gaz et vapeurs sont aspirés par un groupe condenseur et pompe à vide par la conduite 41. Les ailettes ou conduits 42 sont disposés en sens inverse de façon à ce que le liquide descendant en 24 par gravité soit plus chaud côté arrivée vapeur que côté sortie. Naturellement, cette colonne est calori- fugée en 43. La figure 8 r eprésente une autre variante utilisant la combinaison des dispositifs représentés figures 6 et 7. La vapeur est amenée ou formée le long d'un cylindre intermédiaire 44, situé à peu près au milieu de l'enceinte 45 et est évacuée dans l'enceinte 46 et dans le conduit central 47 communiquant avec la tête 48 de la colonne, les gaz et vapeurs étant aspirés par le groupe condenseur pompe à vide en 49. Dans tout ce qui a été décrit, la pompe à vide évacue à la pression du condenseur tous les incondensables, air et vapeur d'eau ainsi que la vapeur de diélectrique à sa tension maxima correspondant à la température de sortie du condenseur. Dans un mode préféré, le condenseur sera constitué tel que décrit à la demande de brevet déposée conjointement à la présente au nom du demandeur. REVENDICATIONS 1 1) Colonne spécialement adaptée à la déshydratation et au dégazage simultanés du diélectrique liquide d'un transformateur électrique ou autre appareil similaire, fonctionnant sous vide et caractérisée par le fait qu'elle comprend des surfaces de répartition, réchauffées sur une grande partie de sa hauteur2 sur lesquelles circulent à contre-courant par gravité le dit liquide et une vapeur saturée éventuellement du même liquide, afin que l'eau et l'air s 'échangent du liquide à la vapeur, un condenseur situé entre la colonne et une pompe à vide, recueillant la majeure partie des vapeurs de diélectrique et la dite pompe à vide aspirant les incondensables air et eau. 2) Colonne selon la revendication 1 caractérisée par le ~ fait que le chauffage des dites surfaces de répartition est réparti également sur la hauteur qui s'étend depuis le pied de la colonne jusque presque la tête, la partie supérieure non réchauffée servant à éteindre une partie des vapeurs après le dit échange. 3) Colonne selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la dite vapeur saturée est formée "in situ" au pied de la colonne par un apport supplémentaire de chaleur au moyen de résistances électriques, serpentins réchauffeurs ou tout autre moyen équivalent. 4) Colonne selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le réchauffage des dites surfaces de répartition s'effectue au moyen de serpentins, tubes ou doubles parois chauffés par circulation, ou de résistances électriques, ou encore par conduction d'éléments métalliques placés en leur sein et reliés à une source de chaleur quelconque. 5) Colonne selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le réchauffage des dites surfaces s'effectue au moyen d'une vapeur ou d'un liquide surchauffé, amené en surplus dans des conduits percés la distribuant dans tout le volume à réchauffer. 6) Colonne suivant la revendication 1 caractérisée en ce que les gaz et vapeurs sont ramenés par le haut, dans une double paroi constituant la surface extérieure de la cuve pour être évacués par une tubulure latérale, en sorte que la paroi extérieure sert à la condensation de tout ou partie de la vapeur. 7) Colonne adaptée à la déshydratation et au dégazage simultanés des diélectriques liquides caractérisée par le fait qu'elle comprend sur presque toute sa hauteur un tube ou faisceau central à la surface duquel est formée ou amenée de la vapeur du diélectrique ou d'un produit approprié, et une surface perforée concentrique, l'espace compris entre les deux éléments ci-dessus étant comblé par des corps ou des surfaces de répartition, le tout disposé en sorte que le liquide à traitér s'écoule verti calement à travers les corps de répartition tandis que la vapeur les traverse horizontalement, entrainant l'air et l'eau dissous puis vient se condenser au moins partiellement sur la paroi extérieure de la colonne et gagne par une tubulure laterale un condenseur et une pompe à vide. 8) Colonne adaptée à la déshydratation et au dégazage simultanés des diélectriques liquides caractérisée par le fait qu'elle comprend un tube central perforé entouré de corps ou de surface de répartition tandis que sa paroi extérieure est agencée pour amener ou former de la vapeur de diélectrique ou autre produit approprié, le tout disposé en sorte que le liquide à traiter s'écoule verticalement à travers les corps de répartition tandis que la vapeur les traverse horizontalement entrainant l'air et l'eau dissous et gagne par le tube central, qui débouche à l'extérieur2 un condenseur et une pompe à vide. 9) Colonne adaptée à la déshydratation et au dégazage simultanés des diélectriques liquides caractérisée par le fait qu'elle comporte deux chemises concentriques perforées entre lesquelles se trouve un élément égale ment concentriqile destiné à former Qu à amener de la vapeur du diélectrique ou autre produit approprié, noyé dans des corps ou surfaces de répar tition limités ou maintenus par les chemises concentrqiies:: le tout disposé en sorte que le liquide à traiter s'écoule verticalement à travers les corps de de répartition tandis que la vapeur les traverse horizontalement entrainant l'eau et l'air dissous2 gagnant d'une part le centre de la chemise intérieure, d'autre part l'espace tubulaire compris entre la chemise extérieure et la paroi de la colonne, d'ou elle s'achemine par le haut de la colonne vers un condenseur et une pompe à vide. 10) Colonne suivant les revendications 7 - 8 et 9 caractérisée par le fait que les parois retenant ou limitant les corps de répartition présen tent des perforations protégées par des auvents orientés de telle sorte que le liquide tend toujours à regagner les corps de répartition. 11) Colonne suivant les revendications 7 - 8 et 9 caractérisée par le fait que les éléments qui amènent la vapeur ou provoquent sa formation comportent dans leur partie haute des excroissances, ou des ailettes radiales allant en diminuant dans le sens du mouvement de la vapeur, en sorte ue dans une section horizontale, la température du liquide sera elle même décroissante dans le sens du mouvement de vapeur.