Brevet FR2147229A1 — publié le 19730309

La présente invention concerne un procédé pour vaporiser un agent réfrigérant dans un vaporisateur tel qu'un vaporisateur horizontal, avec des canaux de vaporisation dont la section augmente par segment, dans le sens de l'écoulement, et dans lesquels on injecte de agent réfrigérant alors que le fluide à refroidir passe autour des canaux de vaporisation, le vaporisateur étant précédé d'une chambre de séparation de phases dans laquelle on injecte le mélange de vapeur, d'agent réfrigérant et de liquide provenant de la soupape de détente, ce mélange étant envoyé à l'entrée du vaporisateur, avec une fraction de vapeur plus élevée que pour la détente simple. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Selon les procédés d'injection connus, le mélange des phases vapeur et liquide de l'agent réfrigérant, formé lors de la détente, et qui comporte une fraction de vapeur relativement faible, est injecté dans les canaux de vapoirisation. Le mélange traverse ces canaux et s'y vaporise par port calorifique du support de refroidissement se trouvant sur la surface de vaporisation extérieure. La vaporisation provoque une augmentation constante de volume de l'agent réfrigérant inbecté et cette augmentation doit titre absorbée par une augmentation de la section dans le sens de l'écoulement. Un vaporisateur connu pour la mise en oeuvre de ce procédé est un vaporisateur à faisceau tubulaire logé dans un récipient en forme de cylindre dont les faces frontales portent des couvercles de renvoi. L'agent réfrigérant est injecté dans la rangée inférieure et dans la rangée supérieure de tubes, ces rangées ne se composant que d'un nombre réduit de tubes. Après renvoI vers le milieu du récipient, le nombre des tubes augmente ce qui augmente la section d'écoulement. Au milieu du récipient, on aspire les vapeurs d'agent réfrigérant, qui ne doivent pas contenir de liquide pour ne pas endommager le compresseur. I1 est en outre connu de faire ruisseler 1 'agent réfrigérant liquide le long de la surface intérieure de tubes verticaux. Pour avoir un écoulement de liquide à tout endroit dans le cas de tubes très hauts, on injecte de l'agent réfrigérant liquide, à certaines distances, de façon à compléter l'agent réfrigérant venant de la section supérieure, et remplacer l'agent réfrigérant vaporisé. La vapeur d'agent réfrigérant ainsi obtenue est aspirée en continu au milieu des tubes. Cette installation ne peut pas se réaliser sols forme d'appareil horizontal. Récemment, on a crée un procédé pour vaporiser l'agent réfrigérant. Ce procédé part de la constatation que le transfert cslorifique est le plus avantageux si la fraction vapeur rapportée à la fraction liquide de l'agent réfrigérant est relativement élevée et par exemple de l'ordre de X = 0,8. Si l'on introduit dans le zen vaporisateur d'agent réfrigé- rant un mélange des phases vapeur et liquide d'agent réfrigérant avec une telle concentration, le bDn transfert cslorifique permet de réduire considérablement les dimensions de l'appareil. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, on connut un vaporisateur d'agent réfrigérant précédé d'une chambre de mélange de phases ou celle-ci reçoit le mélange des phases vapeur et liquide d'agent réfrigérant, arrivant de la soupape de détente, avec une faible fraction de vapeur provenant de la détente simple. A l'extrémité du vaporisateur, se trouve un séparateur de liquide dont le compresseur aspire une partie de la vapeur d'agent réfrigérant. Une autre partie de cette vapeur et l'agent réfrigérant liquide, qui s'est séparé, sont ramenés par deux conduites vers la chambre de mélange de phases. A cet effet, il est nécessaire de prévoir un ou deux moyens de transport (pompes) dans les deux conduites.Dans la chambre de mélange de phases, on effectue un mélange de la vapeur ainsi ramenée et de l'agent réfrigérant injecté, ce qui permet d'envoyer au vaporisateur un mélange de phases vapeur et liquide comportant une fraction de vapeur relativement élevée. Ce mélange traverse à grande vitesse le vaporisateur et il ne se produit qu'une vaporisation partielle de 1 'agent réfrigérant liquide ainsi entraSné. C'est la raison pour laquelle il faut prévoir à l'extrémité du vaporisateut le séparateur de liquide iéjà mentionné. Toutefois, l'inconvénient est que cet appareil nécessite un moyen d'entratnement (pompe) particulier qui ramène la vapeur de l'agent réfrigérant et le liquide vers la chambre de mélange de phases.Cela entre une consommation supplémentaire d'énergie, au détriment de la puissance frigorifique0 En outre, l'injection connue, d'agent réfrigérant, sous forme de vapeur à haute pression dans la chambre de mélange de phases se trad'uit par une perte de ren dement frigorifique';; La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients du procédé ci-dessus et de l'installation pour sa mise en oeuvre, avec des moyens techniques simples, sans nécessiter d'énergie motrice supplémentaire et sans entratner de pertes frigorifiques, en créant un procédé qui permette d'avoir des conditions avantageuses de transfert calorifique dans toute la section de vaporisation, par introduction du mélange des phases vapeur et liquide de l'agent réfrigérant avec une fraction de vapeur élevée, sans nécessiter d'installation de retour particulière vers la chambre de mélange de phases et sans séparateur de liquide. A cet effet, l'invention concerne un procédé pour vaporiser un agent réfrigérant dans un vaporisateur tel qu'Un vaporisateur horizontal, avec des canaux de vaporisation dont la section augmente par segment, dans le sens de l'écoulement, et dans lesquels on injecte de l'agent réfrigérant alors que le fluide à refroidir passe autour des canaux de vaporisation, le vaporisateur étant précédé d'une chambre de séparation de phases dans laquelle on injecte le mélange de vapeur, d'agent réfrigérant et de liquide provenant de la soupape de détente, ce mélange étant envoyé à l'entrée du vaporisateur, avec une fraction de vapeur plus élevée que pour la détente simple, procédé caractérisé en ce que, dans la zone de transition entre les diverses sections de vaporisateur successives, on injecte, sans apport d'énergie auiiliaire, un nouvel apport d'agent ré frigérant liquide, en utilisant la différence de pression entre la chambre de séparation de phases et la section de vaporisateur suivante, dans la zone de transistion vers la section de vaporisateur suivante, à section d'écoulement plus grande, agent réfrigérant liquide venant de la partie de la chambre de séparation de phases en-dessous de l'entrée du vaporisateur, et après la dernibre section de vaporisateur cn surchauffe l'agent réfrigérant à prédominance gazeuse, puis on aspire cet agent réfrigérant. Suivant une autre caractéristique du procédé, dans les diverses sections de vaporisateur, on maintient des rapports de phases pratiquement identiques, avec une fraction de vapeur comprime entre X = 0,5 et X = l,0 de préférence X = 0,6 b x = 0,8. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé, cette installation étant caractérisée en ce que l'orifice d'entrée de la première section de vaporisateur se trouve dans la chambre de séparation de phases, au point limite entre l'agent réfrigérant liquide et l'agent réfrigérant gazeux, le niveau du liquide étant maintenu pratiquement constant par un dispositif de réglage agisant sur la soupape d'injection, et en outre la partie de la chambre de séparation de phases contenant l'agent réfrigérant liquide et la seconde section de vaporisateur ainsi que les sections suivantes comportent des conduites d'injection branchées en parallèle. Pour doser de façon précise l'agent réfrigérant liquide post-injecté dans les diverses sections de vaporisation, les conduites de poste à injection comportent des soupapes ou autres dispositifs de laminage Des modes de réalisation de l'invention sont représentés schématiquement sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un vaporisateur à enveloppe cylindrique contenant les éléments plats de 1'échangeur de chaleur. - la figure 2 est une coupe partielle correspondant à la figure 1. - la figure 3 représente un vaporisateur à faisceau tubulaire présentant plusieurs renvois. - la figure 4 est une coupe du vaporisateur selon la ligne A-A de la figure 3 montrant le jeu de tubes. - la figure 5 est une coupe du jeu de tubes selon la ligne BB de la figure 3. - la figure 6 représente un vaporisateur constitué de trois éléments séparés. Selon la figure 1, le mélange de vapeur, d'agent - réfrigérant et de liquide, arrivant de la soupape de détente, non représentée, passe dans la conduite 1 pour titre injecté dans la chambre de séparation de phases 2. Le niveau 3 du liquide est réglé de façon à se trouver à l'orifice d'entrée 4 du premier segment de vaporisateur 5, constitué de deux éléments plats d'échangeur de chaleur. Le second segment de vaporisateur 6 comprend trois éléments d'échangeur de chaleur. Le troisième segment de vaporisateur 7 comprend quatre éléments d'échangeur échangeur de chaleur et le quatrième segment 8 en comprend cinq. On a prévu des conduites d'injection 9, 10 et 11 sur la chambre de séparation de phases 3. Ces conduites débouchent respectivement au point de transition, dans le segment de vaporisateur suivant. Le fonctionnement est le suivant : le mélange de vapeur et de liquide à forte fraction de vapeur, par exemple de X = 0,6, passe dans le premier segment de vaporisateur 5. Il y vaporise une partie du liquide. Au point de transistion, vers le second segment de vaporisateur 6, on a prévu la conduite d'injection 9 d'un nouvel apport d'agent réfrigérant liquide, pour arriver de nouveau à une fraction de vapeur de par exemple X = 0,7. Il ntest pas nécessaire d'avoir un moyen de transport particuliez, Car lors du passage à travers le premier segment de vaporisateur 5 il se produit une perte de charge supérieure à celle liée à la conduite d'injection 9, branchée en parallèle. L'augmentation de volume engendrée par la vaporisation d'une partie du liquide et par injectior est compensée par une augmentation du nombre des éléments changeurs Après passage du second segment de vaporisateur 6, il se produit une déviation de la veine d'agent réfrigérant et une introduction d'un autre apport d'agent réfrigérant liquide par la conduite d'injection 11. L'augmentation du volume en déplacement est compensée par l'augmentation du nombre d'élémentséchangeurs de chaleur dans le troisième segment de vaporisateur 7. A la sortie de ce troisième segment, on fait un nouvel apport d'agent réfrigérant liquide par la conduite d'injection 10. Le quatrième segment de vaporisation 8 est constitué de cinq éléments échangeurs de chaleur, ce qui tient à nouveau compte de llaug- mentation du volume en déplacement. L'aspiration des vapeurs agent réfrigérant se fait alors par la conduite d'aspiration 12. Des particules de liquide qui peuvent encore exister à ce moment sont vaporisées complètement dans un post-vaporisateur, connu, non représenté en détail. De la sorte, le compresseur ne peut aspirer aucun agent réfrigérant liquide. Sur les figures 3, 4 et 5, on a représenté schématiquement un vaporisateur à faisceau tubulaire. Le mélange de vapeur, de liquide et d'agent réfrigérant arrivant de la soupape d'injection, est à son tour injecté dans une chambre de séparation de phases 2, dont le niveau de liquide 3 est à la hauteur de l'or-fice de sortie 4. Le mélange de vapeur et de liquide pénétre avec une fraction importante de vapeur dans le premier segment de vaporisation 5, qui n'est constitué que de quelques séries de tubes sur la périphérie du récipient. Après le passage dans le fond 13 du récipient, il se produit un changement de direction et le mélange entre dans le second segment de vaporisation 6. En mEme temps, on ajoute un agent réfrigérant liquide, par la conduite dtinjection 9 munie d'une soupape 14. Le second segment de vaporisation 6 comprend. du fait de l'augmentation de la largeur des rangées de tubes, plus de tubes que le segment précédent du vaporisateur. Cela compense l'angmentation du volume. Au fond 15 du récipient, on dévie de nouveau la veine d'agent réfrigérant. En méme temps, on fait un nouvel apport d'agent réfrigérant liquide par la conduite d'injection 10, munie également d'une soupape 14. Comme on le remarque, la troisième section de vaporisateur 7 se trouve au milieu du récipient Les rangées de tubes ont à cet endroit leur plus grande largeur pe qui tient également compte de l'augmenta- tion du volume de la veine. A la suite de cela, on effectue une autre déviation de la veine d'agent réfrigérant dans la partie supérieure au fond du récipient 13 pour le renvoi dans la quatrième section de vaporisateur 8. A ce moment, on ajoute à nouveau de l'agent réfrigérant liquide par la conduite d'injection 11 équipée de la soupape 14. La quatrième section de vaporisateur comprend le plus grand nombre de tubes. L'aspiration des vapeurs d'agent réfrigérant se fait par la conduite d'aspiration 12. Le vaporisateur selon la figure 6 comprend trois éléments de vaporisation séparés, montés cote à cote. Le mélange de vapeur, d'agent réfrigérant et de liquide, s'écoule par la conduite 1 vers la chambre de séparation de phases 2 dont le niveau de liquide 3 se trouve à l'orifice d'entrée 4 de la première section de vaporisateur 5. Le mélange de vapeur et de liquide, à fraction élevée de vapeur, traverse ce segment de vaporisation en augmentant sa fraction de vapeur, puis s'écoule par la conduite de liaison 16 vers la seconde section 6, composée de deux éléments de vaporisation séparés. A ce niveau, on injecte de l'agent réfrigérant liquide provenant de la chambre de séparation de phases, par la conduite d'injection 9 et la soupape 14 dans la conduite de liaison 16. L'augmentation de volage est compensée par l'utilisation de deux éléments vaporisateurs dans la seconde*" section de vaporisateur 6. La vapeur de l'agent réfrigérant est aspirée à nouveau par la conduite aspiration 12. Dans les trois modes de réalisation, par l'extraction continue de réfrigérant liquide de la chambre de séparation de phases, on aboutit à un certain état d'équilibre dans le rapport de la phase vapeur et de la phase liquide de la veine d'agent réfrigérant. Ce rapport est compris entre x = P4 et x = P7 à l'orifice d'entrée 4 et à l'entrée de la section de vaporisateur suivante. Jusqu'à la sortie de chaque section de vaporisateur, ce rapport augmente jusqu'à environ 0,7 à I,O, rar l'injection continue d'agent réfrigérant liquide, avant chaque section de vaporisateur, le rapport entre la vapeur et le liquide de chaque segment de vaporisation reste dans les dites limites. Cela donne un bon transfert calorifique qui permet de réduire les dimensions de l'appareil. Il n'est pas nécessaire d'avoir des dispositifs d'entratnement particuliers, car la différence des pertes de charge entre les divers segments de vaporisateur et les conduites de poste à injection correspondant 9, 10, 11 suffit à introduire de l'agent réfrigérant liquide au point de transition. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée a l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté a partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A 2 I O g S 10) Procédé pour vaporiser un agent réfrigérant dans un vaporisateur tel qu'un vaporisateur horizontal, avec des canaux de vaporisation dont la section augmente par segment, dans le sens de l'écoulement, et dans lesquels on injecte de l'agent réfrigérant alors que le fluide à refroidir passe autour des canaux de vaporisation, le vaporisateur étant précédé d'une chambre de séparation de phases dans laquelle on injecte le mélange de vapeur, d'agent réfrigérant et de liquide provenant de la soupape de détente, ce mélange étant envoyé à l'entrée du vaporisateur, avec une fraction de vapeur plus élevée que pour la détente simple, procédé caractérisé en ce que, dans la zone de transition entre les diverses sections de vaporisateur 5, 6, 7, 8, successives, on injecte, sans apport d'énergie auxiliaire, un nouvel apport d'agent réfrigérant liquide, en utilisant la différence de pression entre la chambre de séparation de phases 2 et la section de vaporisateur suivante (6, 7, 8), dans la zone de transition vers la section de vaporisateur suivan- te, à section d'écoulement plus grande, l'agent réfrigérant liquide venant de la partie de la chambre de séparation de phases endessous de ltentrée 4 du vaporisateur, et après la dernière section de vaporisateur 8 on surchauffe l'agent réfrigérant à prédominance gazeuse, puis on aspire cet agent réfrigérant. 20) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans les diverses sections de vaporisateur (6, 7, 8), on maintient des rapports de phases pratiquement identiques, avec une fraction de vapeur comprise entre x = 0,5 et x = 1,0 de préférence X = 0,6 à X = 0,8. 30) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications i et 2, caractérisée en ce que l'orifice d'entrée 4 de la première section de vaporisateur 5 se trouve dans la chambre de séparation de phases 2, au point limite entre l'agent réfrigérant liquide et l'agent réfrigérant gazeux, le niveau du liquide étant maintenu. pratiquement constant par un dispositif de réglage agissant sur la soupape d'injection, et en outre la partie de la chambre de séparation de phases contenant l'agent réfrigérant liquide et la seconde section de vaporisateur ainsi que les sections suivantes (6, 7, 8) comportent des conduites d'injection branchées en parallèle (9, 10, 11). 40) Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que les conduites d'injection (92 10, 11) sont équipées de soupapes 14.