Brevet FR2220299A1 — publié le 19741004

invention concerne un dispositif permettant dsévapo- rer des liquides et muni d'au moins une paroi à chauffer et de moyens servant à répartir le liquide en question sous forme d'un mince film sur ladite paroi. De tels dispositifs peuvent être ut sés dans l'industrle,par exemple dans les systèmes où,pour le transport de chaleur,un liquide s'évapore à un endroit (vaporisateur) pour se condenser à un autre endroit (condenseur). Grâce à la bonne transmission thermique se produisant pendant l'évaporation et la condensation,les surfaces de transmission thermique nécessaires à cet effet sont petites.De plus,les pertes detempérature qui se produisent et aussi la quantité du fluide transportant de la chaleur en circulation sont faibles,cel = offre l'avantage qu'il ne faut qu'unie faible puissance pour la circulation du fluide. Du fait que les températures auxquelles se produisent les processus dans l'industrie chimique et également dans les machines motrices sont en général très élevées,le niveau de température auquel se produit le susdit transport de chaleur doit être également élevé. A ces températures élevées de plus de 500 C, on ne peut utiliser que les porteurs de chaleur métalliques ( par exemple du sodium et du gallium). Ils sont essentiellement résistants à ces températures et ne présentent que de faibles tensions de vapeur. Toutefois,il se présente l'inconvénient que 11 ébullition de ces liquides est ralentie par leur tension activité élevée et la faible augmentation de leur pression de vapeur avec la température.Il en résulte des fluctuations indésirables de la température et de la pression. Pour obvier à ces inconvénients, il est connu de faire passer de tels liquides sous forme de minces films sur une surface chauffée de façon que l'évaporation à la surface du film se produi se pratiquement sans surchauffage. La répartition du liquide sur la surface en question suscite des difficultés au > températures très élevées. Aux températures basses,il est usuel de réduire l'épais- seur de la couche de liquide par voie mécanique à l'aide de brosses OU de rouleaux rotatifs. rour des raisons techniques,ces méthodes ne peuvent guère être appliquées aux températures plus élevées. On connatt des évaporateurs par tirage par en bas, dans lesquels le liquide est réparti en haut sur une paroi et circule ensuite suivant la paroi vers le bas.Toutefois,des couches non perturbées d'épaisseur uniforme sont difficiles à obtenir. L'invention vise à résoudre lesdits problèmes. A cet effet,le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une couche poreuse,dont une première partie recouvre la paroi en question et qui passe en haut,par l'intermédiaire d'une partie courbée,à une seconde partie de couche,qui s'étend à quelque distance de la première partie de la couche et qui est entourée d'un réservoir de liquide dans lequel débouche une amenée pour le liquide à évaporer. Dans le dispositif conforme à l'invention,ladite couche poreuse aspire,par l'intermédiaire de la partie courbée,du liquide du réservoir pour le répartir sous forme d'un film uniforme non perturbé sur la paroi chauffée. La couche poreuse fait office de siphon. Par variation de la hauteur de liquide dans le réservoir, la quantité de liquide aspirée s'adapte à la quantité de liquide amenée au réservoir. A l'état stationnaire,les quantités de liquide aspirées du réservoir et amenées à ce dernier sont égales. Ainsi,des moyens simples assurent une répartition très convenable du liquide sur la paroi. Be fonctionnement sera'expliqué en détail ci-après. Dans une autre forme de réalisation avantageuse du dispositif conforme à l'invention,ladite seconde partie de la couche présente une section transversale,qui s'accroit dans la direction de la partie courbée. Conformément à l'invention,ce but est atteint en munis sant la seconde partie de la couche de plusieurs incisions,qui se rétrécissent dans la direction de la partie courbée. C'est ainsi que les incisions peuvent présenter une forme triangulaire. La susdite variation de la section de la seconde partie de couche permet d'atteindre que l'influence de la variation du niveau de liquide dans le réservoir sur le courant de liquide amené à la paroi augmente En d'autres termes,le réglage du courant de liquide amené à la paroi est devenu plus sensible. Dans une autre forme de réalisation avantageuse du dis positif conforme à l'invention,la couche poreuse est constituée par plusieurs toiles métalliques à grand écartement de mailles,qui sont entourées d'une couche en toile métallique présentant un petit écartement des mailles. ainsi, on a obtenu un siphon dans lequel le liquide en circulation ne rencontre pas trop de résistance,alors que,grâce aux fines mailles,la force capillaire est telle que le liquide puisse s'évaporer mais non sortir du siphon. Une autre forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention est caractérisée en ce que l'enceinte dans laquelle se forme la vapeur est reliée,par l'intermédiaire d'une canalisation a vapeur v un condenseur qui est relié par l'intermédiaire d'une canalisation de condensat,à un réservoir à liquide,le condenseur étant disposé à un niveau plus élevé que celui du réservoir à liquide et dans la canalisation de condensat est insérée une fermeture par congélation de liquide. Ainsi,on a obtenu un dispositif dans lequel la vapeur formée transporte de la chaleur provenant de la paroi chauffée vers le condenseur et le lulde circule sans intervention de moyens de pompage. Dans une autre forme de réalisation avantageuse du dispositif conforme à l'invention,dans lequel le liquide à évaporer est un métal par exemple du sodium7 l'enceinte dans laquelle se forme la vapeur est reliée par l'intermédiaire d'une canalisation de vapeur à un condenseur qui est relié, par l'intermédiaire d'une canalisation de condensat,à un récipient accumulateur à partir duquel le condensat est amené au réservoir à liquide de façon que la quantité amenée soit supérieure à la quantitée évaporée. Dans ce dispositif,un excès de liquide est continuellement amen à la paroi à chauffer. S@us l'effet de la pesanteur,cet excès sort de la couche poreuse au bas, ce qui offre l'avantage qu'il ne se produit pas d'accumulation d'oxydes métalliques dans la couche poreuse. Une telle accumulation donnerait lieu à une attaque corrosive de la couche poreuse et de la paroi du vaporisateur. La circulation d'un excès de liquide à travers la couche poreuse assu re une longue durée de vie du dispositif. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés,le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peat être réalisée. La figure 1 représente schématiquement et non à l'échel le, un dispositif p@rmettant d'évaporer le liquide. La figure 2 est un graphique donnant la pression en @onction du débit du liquide dans la couche poreuse. La figure 3a illustre-la façon,dont la couche poreuse peut être munie d'incisions triangulaires. La figure 3b illustre la façon,dont la section transversale de la couche poreuse diminue à partir de la partie courbée. La figure 4 est un graphique donnant la pression en fonction du débit du liquide dans la couche poreuse selon la figure 3. La figure 5 est un dispositif d'évaporation dans lequel la vapeur,après avoir léché un condenseur,est ramenée au réservoir à liquide par l'intermédiaire d'une canalisation à condensat. La figure 6 est un dispositif pour l'évaporation du sodium,dans lequel le sodium est maintenu en circulation à l'aide de pompes. Sur la figure 1 ,le chiffre de référence 1 désigne un réservoir d'évaporation comportant en haut une évacuation de vapeur 2 est en bas une évacuation 3 pour le liquide éventuellement subsistant. A l'extérieur,le réservoir 1 est entouré d'un serpentin de chauffage électrique 4. A l9intérieur,la paroi du réservoir 1 est revêtue d'une première partie de couche poreuse 5,qui passe par l'intermédiaire d'une partie courbée 6 à une seconde partie de couche poreuse 7,qui s'étend parallèlement à la partie de couche 5 et qui est entourée d'un réservoir à liquide 8. Au réservoir 8 peut etre amené le liquide à évaporer par l'intermédiaire de la canalisation 9 dans laquelle est insérée une pompe 10. La couche poreuse 5,6,7 est constituée par plusieurs couches de toile métallique présentant un grand écartement des mail les et recouvertes d'une toile métallique présentant un petit écar tement des mailles. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante. Un courant traversant le serpentin de chauffage 4 permet d'amener de la chaleur à la paroi du réservoir 1 et à la partie de couche poreuse 5. La pompe 10 permet d'amener le liquide à évaporer par l'intermédiaire de la canalisation d'amenée 9 au réservoir 8. Par suite de l'effet capillaire,le liquide dont le réservoir 8 monte dans la partie de couche poreuse 7 j7lSq7l'cX la section il de la par tie courbée 6. Puls,le liquide descend sous l'effet de la pesanteur à travers la partie de couche 5 vers le bas.'La couche poreuse 7,6,5,fonctionne donc comme un siphon,le liquide passant sous forme d'une mince couche uniforme sur la paroi intérieure chauffée du réservoir 1 et s'évapore entièrement ou partiellement. L'équilibre des forces se produisant dans la couche poreuse est représenté par la relation: formule dans laquelle: H représente la @@@@cur de la partie de couche 5, @ représente la hauteur de la partie de couche 7 au-dessus du niveau de liquide, le poids spécifique du liquide g la apesanteur. H J. tt 1 représentent les pertes de pression res- pectivement dans la partie 5 et la partie 7 par suite du frotte .ent que subit la circulation de liquide dans la couche poreuse. formule dans laquelle: C représente une constante A la section transversale de la couche poreuse disponible pour la circulation de liquide rn le débit de liquide Tes formules précédentes sont représentées graphiquement sur la figure 2 et il en ressort qu'un équilibre est atteint entre le liquide montant et le liquide descendant suivant la paroi. Lorsque le niveau de liquide baisse dans le réservoir 8 de façon que la dist-ance h devient h1, la pression dans le liquide montant varie suivant la ligne,en pointillé,sur la figure 2. Un état d'équilibre entre le liquide amené et le liquide évacué s'obtient dans le cas d'un débit m2. qui est plus petit. Il en ressort qu'une variation du niveau de liquide dans le réservoir 8 permet d'adapter automatiquement le courant liquide passant par la paroi du réservoir 1 à la quantité évaporée. Dans le cas de variations très rapides,soit dans le besoin de vapeur,soit dans l'apport de chaleur, il est désirable d'adapter aussi rapidement le courant de liquide amené au besoin. A cet effet,il est possible de réaliser le réservoir 8 d'une façon étroite,ce qui permet de provoquer,à l'aide d'une variation relativement petite de l'amenée de liquide,assez rapidement de grandes variations du niveau dans le réservoir,donc une variation de h. TJne possibilité de réglage plus rapide consiste en une réduction de la section transversale A de la partie de couche 7 disponible pour le liquide à partir de la partie courbée 6 vers le ba;:. Cela peut s'effectuer à l'aide d'une forme comme repr@@entée sur la figure 3a OU îb. Sur la figure fa, la partie de couche 7 présente une forme pointue à partir de la partIe courbée 6. La figure 3b illustre une réduction de la section transversale de la partie de couche 7 obtenue par application d'incisions triangulaires 11. Une éventuelle combinaison de ces deux formes est sans doute possible. Cette variation de la section transversale A de la tartie de couche 7 a pour effet que bPh varie, tant par variation Le h que par variation de A. L'effet est représenté sur la figure 4,dont il ressort que pour une même variation h--+h1 du niveau de liquide,la variation du courant de liquide m1#m2 à laquelle se produit l'équilibre, est notablement plus grande que dans la situation représentée @ur la figure 2. Ainsi, l'amenée de liquide peut donc être adaptée très rapidement aux conditions de fonctionnement variables. Le dispositif d'évaporation représenté sur la figu @e 1 peut être utilisé dans l'industrie chimique pour l'évaporation se substances. Le dispositif peut également être utilisé dans le @ystème où un fluide transporte de la chaleur par évaporation et ondensation. Un tel système est représenté schématiquement sur la figure 5. Le dispositif représenté sur la figure 1 est désgné sur cette igure par les mêmes chiffre de référence. L'évacuation de vapeur 2 relie l'enceinte dans le réservoir à à une enceinte 14 dans laquelle est disposée une construction de condenseur 12, par exemple le réchauffeur d'un moteur à gaz chaud. Le fond de réservoir 1 est fermé,il n'est as nécessaire d'évacuer le condensat e une canalisation de rem- plissage 15 est prévue en vue d'introduire une quantité suffisan- te de fluide dans le dispositif. L'enceinte 14 est relie par l'intermédiaire d'une canalisation à condensat 15 à un réservoir à liquide 8. Dans la canalisation 15 est insérée une fermeture par congélation de liquide 16. Zors du fonctionnement, le dispositif contient une quantité de fluide telle qu'en bas du réservoir 1 soit présent du liquide, qui humecte l'extrémité inférieure de la partie de couche 5. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante. De la chaleur est amenée,par l'intermédiaire du serpentin de chauffage 4, à la paroi du réservoir 1. Il y a lieu de noter qu'outre par un serpentin de chauffage,l'apport de chaleur peut s'effectuer d9 toute autre façon connue,par exemple à l'aide d'un brûleur ou d'un système de chauffage chimique. Comme il a déjà été décrit ci-dessus,par suite de l'apport de chaleur, du liquide provenant de la couche 5 s'évapore et dans l'état stationnaire,la quantité de liquide amenée à partir du réservoir 8 est égale à la quantité de liquide évaporée. ma va@eur circule à partir de la canalisation 2 vers l'enceinte 14 où elle se condense sur le condenseur 12. Le condensat reflue,par l'intermédiaire de la canalisation 15 et de la fermeture par congélation de liquide 16 vers le réservoir 8. La fermeture par congélation de liquide insérée dans cette canalisation assure une circulation de liquide dans la direction du réservoir 8. A l'état stationnaire,la quantité de vapeur circu lant.vers le condenseur est égale à la quantité de liquide circulant vers le réservoir 3. Lorsque la puissance frigorifique du condenseur augmente,la pression règnant dans l'enceinte 14 ais@e,de sorte que la colonne de liquide dans le canal 15 monte. Le liquide nécessaire à cet effet est prélevé dans le réservoir 3, le @@rte que le le niveau de liquide y baisse Cela implique -ue 9 couche poreuse 7, 6, 5 amène moins de liquide à la paroi. 1a quantité de liquide ainsi amenée est trop faible pour l'état initial et, par conséquent, pour l'augmentation nécessaire de la puissance. Be manque de liquide est suppléé par aspiration par la couche 5 du liquide se trouvant sur le fond du réservoir. Ainsi, le système s'adapte très facilement aux fluctuations de la puissance du condenseur. Lorsque le système doit transporter de la chaleur à des températures élevées,comme par exemple dans le cas où le condenseur est constitué par le réchauffeur du moteur à gaz chaud, il faut utiliser des métaux comme le sodium ou le gallium comme fluide. Dans ce cas,il se produit le risque que la couche poreuse et la paroi du réservoir 1 soient fortement attaquées aux concentrations plus élevées en oxygène. Bes oxydes ne sont que peu volatils,ce qui impliaue au'ils subsistent après l'évapo ration dans la couche poreuse 5 et s'y accumulent,de sorte que la concentration en oxygène peut y dépasser la valeur admise. Pour éviter une telle accumulation, la ramenée du condensat à-par tir de l'enceinte 15 se produit dans le dispositif représenté sur la figure 6 par l'intermédiaire d'une canalisation d'évacuation 20 vers un réservoir 21. Le réservoir 21 est raccordé à une cana lisation 22 dans laquelle est insérée une pompe 23 et un obtura teur 24. La pompe 23 est contournée par une canalisation 25, qui assure que le liquide délivré par la pompe peut refluer dans le réservoir,dans le cas où l'obturateur 24 est fermé. La canalisa tion 22 est raccordée à la partie supérieure du réservoir 1. 'La partie inférieure du réservoir 1 communique avec le réservoir 8 par l'intermédiaire d'une canalisation 26 dans laquelle est insé rée une pompe 27. La pompe 27 est réglée de façon à amener au réser voir 8 une quantité de liquide supérieure à celle qui s'évapore à partir de la couche poreuse. 'Le liquide excédentaire sort en bas de la couche 5 et entraine ainsi les oxydes non évaporés,de sorte qu'il ne peut pas se produire d'accumulation des oxydes dans la couche 5 Bes systèmes représentés sur les figures 5 et 6 utilisent un vaporisateur d'une constructiori anctogue à celle de la figure 1, qui présente u1 système de chauffage electrique;; 12 ost également possible d'utiliser d'autres réalisations, par exemple celles représentÉ s ur les figures 7 et 8. Be vaporisateur comporte plusieurs tuyaux 30, dont les extrémités supérieures et in férieures,sont insérées respectivement dans les plaques 31 et 32. Ces plaques 31 et 32 divisent un réservoir 33 en une enceinte à vapeur 34, une enceinte de chauffage 35 et une enceinte à condensat 36. L'enceinte de chauffage est raccordée à une amenée 37 pour les gaz d'échappement chauds qui sont guidés à l'aide des cloisons 38 à travers l'enceinte 35 et le long de la face extérieure des tuyaux 3G vers une évacuation 39. La face intérieure des tuyaux 30 comporte une couche poreuse 40 qui est déviée,en haut,de façon à surmonter le bord des tuyaux où elle est humectée par le condensat dans un réservoir 41. Le liquide aspiré par la couche poreuse 40 du réservoir 41 s'évapore dans les tuyaux 31 et la vapeur peut circuler vers le condenseur par l'intermédiaire de l'évacuation 2. Be condensat reflue vers le réservoir 41 par l'intermédiaire de la canalisation à condensat 15. Près du dispo siti@ d'évaporation selon la figure ure 8 se produit une ramenée de condensat par l'intermédiaire de la canalisation 22 et de la canalisation 26 avec la pompe 27, REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant d'évaporer des liquides et muni d'au moins une paroi à chauffer et de moyens servant à répartir le liquide en question sous forme d'un mince film sur ladite paroi, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une couche poreuse, dont une première partie recouvre la paroi en question et qui passe en haut, par l'intermédiaire d'une partie courbée à une seconde partie de couche qui s'étend à quelque distance de la première partie de la couche et qui est entourée d'un réservoir de liquide dans lequel débouche une amenée pour le liquide à évaporer. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde partie de la couché présente une section transversale, qui s'accroit dans la direction de la partie courbée. 3 e Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde partie de la couche est munie de plusieurs incisions, qui se rétrécissent dans la direction de la partie courbée. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche poreuse est constituée par plusieurs toiles métalliques à grand écartement de mailles, qui sont entourées d'une couche en toile métallique présentant un petit écartement des mailles. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enceinte dans laquelle se forme la vapeur est reliée, par l'intermédiaire d'une canalisation à vapeur, à un condenseur, qui est relié, par l'intermédiaire d'une canalisation de condensat, à un réservoir à liquide, le condenseur étant disposé.à un niveau plus élevé que celui du réservoir à liquide et dans la canalisation de condensat est insérée une fermeture par congélation de liquide. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, dans lequel le liquide à évaporer est un métal, caractérisé en ce que l'enceinte dans laquelle se forme la vapeur est reliée par l'intermédiaire d'une canalisation de vapeur à un condenseur qui est relié, par l'intermédiaire d'une canalisation de condensat, à un récipient accumulateur à partir duquel le condensat est amené au réservoir à liquide de façon que la quantité amenée soit supérieure à la quantité évaporée.