Brevet FR2147293A1 — publié le 19730309

La présente invention est relative à un dispositif pour l'étalement d'un liquide et sa mise en contact d'échange avec un autre fluide circulant à contre-courant, en particulier pour colonne de bouilleur tubulaire de réfrigérateur à absorption fonctionnant avec un gaz inerte, ce dispositif comprenant plusieurs éléments rapportés qui ont de préférence une forme en cloche, sont disposés les uns au-dessus des autres, comportent une face supérieure perforée et ont une forme telle qu'un trajet d'écoulement pour un liquide descendant est formé de haut en bas le long d'une surface externe d'un élément rapporté, ensuite transversalement vers l'intérieur de cet élément, puis à nouveau vers le bas le long d'une surface externe de l'élément rapporté suivant.Un tel dispositif constitue un dispositif de contact liquide-gaz par écoulement à contre-courant qui est disposé au-dessous du niveau libre du liquide dans une colonne verticale dans laquelle doit s'effectuer un échange de substances et de températures. Le roule de ce dispositif est d'empêcher ou tout au moins de diminuer considérablement tout mélange dans le liquide descendant en raison de la présence de bulles de vapeur montant du bas du dispositif. Il est connu d'utiliser, dans les réfrigérateurs à absorption un tel dispositif d'étalement et de mise en contact d'échange qui est placé dans la colonne du bouilleur tubulaire et qui est constitué par une série de simples plateaux formant tamis, par exemple au nombre de douze. Le tube du bouilleur ainsi qu'un tube de pompage externe débouchant dans la partie supérieure du bouilleur sont chauffés, par exemple électriquement, par une cartouche qui est en relation d'échange thermique à la fois avec le bouilleur et avec la pompe. Lorsque le tube du bouilleur est froid, la surface libre du liquide dans ce tube est à un niveau correspondant au niveau d'entrée du liquide à l'extrémité supérieure de l'absorbeur du réfrigérateur. Lorsque le système est chauffé de façon à faire démarrer le fonctionnement du bouilleur, le niveau du liquide dans le bouilleur s'élève un peu en raison de la différence de densité entre la solution froide coté absorbeur, et la solution chaude coté bouilleur. Lorsque l'ébullition a commencé et que la pompe a démarré, le niveau dans le bouilleur s'élève d'une hauteur supplémentaire, qui dépend principalement de l'action de soulèvement exercée par la vapeur qui s'écoule vers le haut à travers le tube du bouilleur et le dispositif d'étalement du liquide.Il est bien entendu important que cette distance, qui sera appelée dans la présente description "hauteur de perte", ne puisse pas se développer de façon excessive, en raison du fait que dans ce cas le niveau du liquide, en particulier pour un apport élevé de chaleur, peut s'élever au-dessus de l'ouverture du tube de pompage dans le tube du bouilleur, de sorte que la pompe, et de ce fait la totalité de l'appareil, cesse de fonctionner. Il est également important, pour des raisons de construction, de maintenir la hauteur de perte relativement faible. Pour éviter une hauteur de perte trop importante, on a constaté qu'il était nécessaire, suivant la technique antérieure, de prévoir les trous des plateaux-tamis relativement grands (d'un diamètre de 2,2 à 3,0 mm). Mais il s'ensuit alors un autre inconvénient du fait qu'il se produit un mélange trop rapide du liquide du bouilleur au-dessus et au-dessous du dispositif d'étalement du liquide, mélange qui a pour résultat une circulation spontanée dans le tube du bouilleur. Il en résulte un mauvais fonctionnement du dispositif et de ce fait un rendement diminué du bouilleur. Dans une certaine mesure, un tel effet indésirable se produit également dans un autre agencement connu dans lequel le dispositif est constitué par un rouleau de tamis métallique. On comprend facilement que le rendement des dispositifs connus repose sur la condition qu'il existe deux courants d'écoulement opposés, savoir un écoulement de vapeur vers le haut et un écoulement de liquide vers le bas, chacun de ces écoulements tendant à obstruer le passage pour l'autre courant du fait qu'ils doivent s'écouler l'un et l'autre par un seul passage. L'un des buts de l'invention est d'éviter cet inconvénient des dispositifs connus. Un autre but de l'invention, lié au premier, consiste à augmenter le rendement du bouilleur dans un refritérateur à absorption du type fonctionnant avec un gaz inerte. Le but principal de l'invention est plus particulièrement d'améliorer le fonctionnement d'un dispositif d'étalement de liquide disposé sous forme d'une colonne échangeuse, sur le trajet de la vapeur du bouilleur d'un réfrigérateur à absorption. La mesure dans laquelle une colonne échangeuse remplit son office peut être déterminée en mesurant la différence de température qui peut être maintenue entre la partie inférieure chaude de la colonne et sa partie supérieure plus froide. On peut dire que dans les conditions de circulation qui sont normales dans un réfrigérateur à absorption de type ménager, une bonne colonne échangeuse doit procurer une différence de température d'approximativement 500C et qu'une différence de seulement 20 à 250C indique un fonctionnement déficient de la colonne. Le dispositif d'étalement de liquide et d'échange liquidevapeur suivant l'invention est principalement caractérisé en ce que les éléments rapportés forment des espaces collecteurs pour la vapeur qui s'élève et que ces éléments comportent des moyens pour produire une contrepression à la vapeur passant vers le haut à travers les parties perforées. Une différence essentielle entre l'agencement suivant 1 'in- vention et les agencements de la technique antérieure consiste en ce que la vapeur, pendant son passage à travers les perforations des éléments rapportés, est soumise à une contre-pression engendrée d'une façon particulière. Cette contre-pression est engendrée soit par les forces capillaires engendrées dans les perforations ou par le poids d'un plateau annulaire formant clapet assurant l'étanchéité contre la face supérieure de l'élément rapporté perforé. Le but de la contre-pression est, d'une part, de produire une fine dispersion de la vapeur montante à travers les perforations et, d'autre part, d'abaisser le liquide au-dessous de la surface perforée jusqu'à un niveau bas approprié afin de couper tout écoulement du liquide à travers les perforations. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels la Fig. I est une vue en coupe verticale à travers une partie d'un bouilleur d'un réfrigérateur à absorption fonctionnant avec un gaz inerte les Fig. 2, 3 et 4 montrent un autre mode de réalisation d'une colonne échangeuse d'un réfrigérateur à absorption et sont comparables avec l'exemple de la Fig. 1 les Fig. 5 et 6 montrent deux modes de réalisation de 1 'in- vention qui sont principalement destinés à un usage industriel et dans lequel on désire réaliser une construction compacte et simple, par exemple dans ces colonnes d'absorption, dans des purificateurs de gaz et d'air, dans des extracteurs ou autres appareils. Les deux colonnes échangeuses représentées aux Fig. 1 et 2 sont plus particulièrement appropriées pour être utilisées dans un réfrigérateur å absorption fonctionnant au moyen d'un agent d'absorption, d'un réfrigérant et d'un gaz inerte, par exemple de l'eau, de l'ammoniaque et de l'hydrogène respectivement. L'appareil peut être d'un type connu quelconque excepté en ce qui concerne le bouilleur représenté au dessin. La solution d'absorption, riche en réfrigérant, est amenée à l'extrémité inférieure d'un tube de pompage 10, à travers lequel la solution est pompée jusqu'à un niveau plus élevé pendant la formation de la vapeur.La vapeur continue vers le condenseur de l'appareil, comme représenté par les flèches 11, tandis que la solution soulevée déborde et s'écoule par-dessus l'orifice 12 du tube de pompage 10 dans un tube de bouilleur 13 entourant le tube dpompage et comportant une source de chauffage à sa partie inférieur, par exemple une cartouche chauffante électrique protégée par un tar qui est disposée en échange thermique avec le tube du bouilleur au moyen d'une soudure. Le tube de pompage 10 est disposé concentrique ment dans le tube du bouilleur 13 et est protégé contre un chauffage indésirable par un tube d'isolation 14 disposé à une faible distance du tube de pompage et dont les extrémités sont soudées sur ce dernier. Dans l'espace annulaire délimité entre le tube 14 et le tube 13 du bouilleur, il est prévu des éléments rapportés 15 en forme de cloche Ces éléments rapportés présentent des perforations 16 dans leur face supérieure et s'ajustent presque étroitement sur le tube 14 et égale- ment sur le tube 13. Chaque élément rapporté comporte à son extrémitc inférieure une collerette I7 s'étendant vers l'extérieur, pour guide cet élément dans le tube du bouilleur 13. Entre la partie supérieure et la collerette 17, chaque élément rapporté suivant la Fig. 1 est constitué par une partie cylindrique 18 située à une certaine distance du tube 13 du bouilleur.Au-dessus de la collerette 17, des parties sont poinçonnees de chaque élément rapporté7pour former des trous ou crevés 19 dans eb partie cylindrique 18. Les languettes 20 formées par le poinçonnage ont une forme telle que les languettes d'un élément rapporté reposent sur l'élément rapporté situé juste au-dessous. Un trajet d'écoulemen est ainsi formé pour le liquide à l'extérieur de l'élément rapporté de sorte que le liquide, comme représenté par le trait mixte 21, pel passer du dessus d'un élément rapporté vers l'extérieur de celui-ci à travers les trous 19, puis vers le bas entre deux éléments rapportés et à nouveau à l'extérieur de l'élément rapporté suivant.Simultanément, la vapeur engendrée dans le bouilleur s'élève à travers le liquide.Les bulles de vapeur traversant l'espace interne des éléments rapportés établissent une égalisation presque totale de la concentra tion et de la température du liquide dans cet espace. Les collerettes 17 des parties inférieures des éléments rapportés empêchent le liquide en retour de s'écouler vers le bas suivant un trajet rectiligne le long du tube de bouilleur 13. Cependant, un jeu modéré entre le tube et les collerettes est possible. Ce jeu facilite l'assemblage du dis positif et diminue les frais de fabrication. Pour éviter une circulation spontanée entre le liquide se trouvant à l'intérieur des éléments rapportés et le liquide en retour à l'extérieur de ces éléments, ce qui affecterait de façon nuisible le fonctionnement de la colonne échangeuse, le liquide se trouvant à l'intérieur doit être empêché de s'écouler dans les éléments rapportés et de les remplir de haut en bas. Une telle circulation nuisible est efficacement évitée en donnant aux perforations 16 des faces supérieures des éléments rapportés un diamètre suffisamment petit(1,0 à 2,0 mm. dans un réfrigérateur) pour que les forces de capillarité soient actives dans les perforations. Ces forces astreignent la surface interne du liquide, dans un élément rapporté, à descendre d'une distance H, de préférence d'une valeur de 3 à 6 mm, dans un réfrigérateur à absorption. On comprend que l'abaissement du liquide ne provoque aucune hauteur de perte. Les passages de retour entre le tube de bouilleur 13 et les parties cylindriques 18 des éléments rapportés 15 sont agencés de façon à ne contenir aucune colonne de vapeur. En conséquence la hauteur de perte dans le dispositif proprement dit peut être réduite approximativement à zéro, presqu'indépendamment du taux d'apport de chaleur au bouilleur. Dans l'exemple représenté à la Fig.l on a indiqué le niveau 22 du liquide dans le tube 13 de bouilleur d'un appareil non chauffé. Lorsque 1' appareil est démarré, le liquide se trouvant dans le bouilleur 13 est chauffé et le niveau s'élève jusqu'en 23. Lorsque la pompe 10 a également démarré et que l'appareil est en cours de fonctionnement normal, le liquide dans le bouilleur s'élève jusqu'au niveau 24. On voit que la hauteur de perte entre les niveaux 23 et 24 est relativement faible. La Fig.2 est une vue en coupe verticale de parties d'un bouilleur du même type que celui représenté à la Fig.l. Suivant cet exemple de la Fig.2, un tube d'isolation 14, entourant un tube de pompage, non représenté, est disposé concentriquement dans un tube bouilleur 13. Des élements rapportés 25 disposés les uns au-dessus des autres sont prévus entre le tube 14 et le tube 13. Comme dans la colonne représentée à la Fig.l, tous les éléments rapportés ont une forme identique. La forme des éléments rapportés 25 de 1'exemple représenté à la Fig.2 est représentée plus clairement aux Fig.3 et 4. Ces éléments rapportés comportent deux rainures verticales 26 diamétralement opposées et correspondent au passage de retour représenté à la Fig.l. A la partie supérieure de chaque élé- ment rapporté sont prévues deux creusures 27.Lorsque les éléments rapportés sont disposés dans un tube Xouilleur, chacun de ces élé- ments doit être tourné de 900 par rapport à l'élément précédent. Pour assurer que les éléments rapportés restent dans la position appropriée, le tube isolant 14 présente en section une forme non circulaire, qui correspond aux trous 28 prévus dans les éléments rapportés, comme représenté aux Figp et 4. Le trajet descendant du liquide à travers la colonne est représenté par les traits mixtes 29. On voit que le liquide s'écoule le long d'un élément rapporté vers le bas sur l'extérieur, puis vers l'intérieur presqu'horizontalement et continue vers le bas à travers les rainures 26 situées suivant un angle de 900 par rapport aux rainures de l'élément rapporté précédent, et ainsi de suite. Des éléments rapportés tels que ceux représentés aux Fig. 2 et 4 peuvent être réalisés d'une façon simple et sans outillage coûteux. Les modes de réalisation représentés aux Fig. 5 et 6 diffèrent par quelques détails de ceux représentés aux autres Fig. du dessin. Les éléments rapportés 30 en forme de cloche disposés dans un récipient fermé 31 présentent une partie annulaire emboutie 32 au voisinage du bord inférieur. Le rôle de cette partie emboutie correspond à celui de la collerette 17 dans l'exemple de la Fig. 1, c'est-à-dire qu'elle constitue un guide pour l'élément rapporté dans le récipient 31 ainsi qu'un joint plus ou moins complet contre la surface interne de ce récipient.Par conséquent, -le liquide en retour fourni par un conduit 33 s'écoule, comme représenté en traits mixtes en 34, c'est-à-dire à l'extérieur du premier élément rapporté, dans des trous 35 prévus dans la paroi de l'élément rapporté et vers l'extérieur à travers des passages 36 prévus dans le bord inférieur de l'élément rapporté, et continue à l'extérieur du second élément rapporté suivant le même trajet. Les passages 36 sont espacés par rapport aux trous 35 de façon que le temps de séjour du liquide en retour dans les éléments rapportés soit prolongé. Ce trajet d'écoulement du liquide est visible à la Fig. 5. I1 commence dans la partie supérieure en 34 et se termine à l'extrémité inférieure en 37. Le liquide sort alors du récipient 31 par un conduit 38. De la vapeur ou de l'air est fourni à la partie inférieure du récipient 31 par un conduit 39 qui, à l'intérieur du récipient, comporte du trous 40 de répartition. La vapeur s'écoule vers le haut à travers des trous 41 prévus dans les faces supérieures des éléments rapportés. La dimension de ces trous est telle qu'une contre-pression donnée, de préférence engendrée par capillarité, est appliquée à la vapeur, grâce à quoi le liquide se trouvant à l'intérieur des éléments rapportés est abaissé jusqu'à un niveau situé à une distance H au-dessous de la face perforée de l'élément rapporté. La vapeur ou le gaz qui a passé à travers la colonne sort du récipient 31 par un conduit 42.Suivant l'agencement représenté à la Fig. 6, l'abaissement H du niveau du liquide dans les éléments rapportés est obtenu à l'aide de plaques 43 formant clapets qui, dans une position inactive, ferment des trous 44 prévus dans les faces supérieures des éléments rapportés. Ces trous 44 peuvent ainsi être comparativement grands. La distance H dans un élément rapporté peut être réglée en faisant varier le poids des plaques 43. Ces plaques 43 formant clapets sont guidées autour de broches centrales 45 prévues sur la face supérieure des éléments rapportés. Un agencement comportant ce type de clapets, est préféré dans les appareils de grande dimension, par exemple pour la purification d'un gaz, dans lesquels le risque d'encrassage des trous capillaires est évident. Il est également plus approprié d'utiliser des clapets dans un appareil dans lequel l'agent montant, précédemment appelé "vapeur", est un solvant fluide ayant une densité plus basse que le liquide mère fourni de par en haut, et doit être soumis à une extraction. Il est évident que les modes de réalisation représentés peuvent être modifiés de différentes façons. A titre d'exemple d'une telle modification des exemples des Fig. 1 et 2, il peut être proposé de disposer le passage de retour au voisinage du tube central plutôt qu'au voisinage du tube du bouilleur. Dans ce cas il n'est pas nécessaire que les éléments rapportés présentent une forme en cloche. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'étalement d'un liquide et de mise de ce liquide en contact d'échange avec un autre fluide circulant à contre-courant, en particulier dans une colonne verticale de bouilleur de réfrigérateur à absorption fonctionnant avec un gaz inerte, ce dispositif qui comprend plusieurs éléments rapportés 15 de préférence une forme en cloche, disposés les uns au-dessus des autres et pourvus d'une face supérieure à perforations 16 et une forme telle qu'un trajet d'écoulement est formé, pour le liquide descendant, vers le bas le long d'une surface externe d'un élément rapporté et ensuite transversalement vers l'intérieur de cet élément,puis de nouveau vers le bas le long d'une surface externe de l'élément rapporté suivant, étant caractérisé en ce que lesdits éléments rapporté forment des espaces collecteurs pour la vapeur ou autre fluide montant et comportent des moyens pour produire une contrepression dans cette vapeur ou autre fluide à son passage ascendant à travers les perforations des faces supérieures desdits éléments. 2 - Dispositif suivant la revendication l, caractérisé en ce que la dimension des perforations des éléments rapportés est si faible que les forces de rupture de l'effet capillaire servent à produire un effet limiteur sur l'écoulement de la vapeur ou autre fluide, de sorte qu'un coussin de vapeur est formé au-dessous de la -face perforée supérieure de chaque élément rapporté, empêchant ainsi le liquide de passer à travers lesdites perforations. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un corps formant clapet sur la face supérieure de chaque élément rapporté, ce corps ayant un Poids adapté pour limiter l'écoulement de la vapeur de manière qu'un coussin de vapeur soit formé au-dessous de chaqueface perforée. 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un passage non obstrué pour le liquide descendant. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide forme une couche horizontale aux emplacements ou il est traversé par des bulles de vapeur ou autre fluide gazeux de sorte que la vapeur montante n'affecte pas dans une mesure notable l'écoulement du liquide dans cette couche. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'entre l'enveloppe entourant le bouilleur et chaque élé ment rapporté est prévu un espace pour un courant de liquide descendant. 7 - Dispositif suivant lune quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que les éléments rapportés sont disposés les uns au-dessus des autres, autour d'un tube de pompage interne qui est concentrique à l'enveloppe du bouilleur. 8 - Dispositif suivant ltune quelconque des revendications l b 7, caractérisé en ce que les élements rapportés en forme de cloche présentent une partie cylindrique avec une ou plusieurs rai nures externes verticales afin de conduire le liquide en retour vers le bas, chaque rainure communiquant dans sa partie inférieure avec l'intérieur de ltélément rapporté rainuré.