Brevet FR2241492A1 — publié le 19750321

La présente invention concerne un procédé de production de neige carbonique par détente d'anhydride carbonique liquide, la neige qui se - forme ainsi étant parée du gaz obtenu simultanément. 'invention concerne de plus un appareil mettant en oeuvre ee procédé, ainsi que l'application spéciale de cet appareil dans une installation de congélation. On sait que l'anhydride carbonique liquide, maintenu par exemple sous une pression de 20 kg/cm2 abs. et à une température de -200O, peut être utilisé pour la production de ce qu'on nomme "neige oarbonigne" A cet effet, on laisse l'anhydride carbonique liquide stéchapper par des buses, de sorte qu'il se détend et qu'il se forme des cristaux de neige dtune part, et de l'anhydride carbonique gazeux, d'autre part. La neige qui se forme peut titre déposée directement sur les produits devant étre congélés. Dans un appareil connu de ce genre, on fait passer l'anhydride carbonique liquide dans un tube métallique recourbé en U ; en raison de leur poids spécifique plus élevé et sous l'action de la force centrifuge, les cristaax de neige cheminent le long de la paroi extérieure du tube en U et peuvent etre recueillis par un dispositif de prélèvement s'engageant dans le tube en U. Ce dispositif de prélèvement est une languette métallique bombée, qui fait saillie dans le tube en U à travers la paroi extérieure de celui-ci. Comme l'a montré l'expérience, cet appareil peut être utilisé en principe pour la fabrication de neige carbonique, mais est affecté de plusieurs inconvénients sérieux, se faisant sentir en particulier lors de la fabrication industrielle de grandes quantités de neige carbonique. QL constate aussi que ces appareils ne permettent pas de produire séparément ;; meme approximativement, la quantité de neige carbonique déterminée théoriquement d'après le diagramme d'état de l'andydride carbonique, ce qui est dd au fait qu' l'aide de ces appareils la séparation recherchée entre le gaz et les cristaux de neige ne peut etre réalisée qu'insuffisamment, de sorte que le gaz s'échappant contient encore de nombreux cristaux de neige, tandis que, lorsque l'on extrait les cristaux de neige, un volume de gaz relativement important se trouve entraîné.Ce dernier point est particulièrement défavorable, car le gaz carbonique, bien que n'étant pas toxique, est nuisible à la santé et que la teneur en gaz carbonique de l'air dans les locaux de travail est fixée par la norme à un taux de concentration maximale de 0,5 mole %. Un autre -inconvénient notable de l'appareil connu réside en ce que les cristaux de neige en sortent à grande vitesse, rebondissent en grande partie sur les objets devant être congelés et sont ensuite dispersés dans leur entourage. La présente invention se propose de fournir un procédé et un appareil de production de neige carbonique, par lesquels les inconvénients précités sont éliminés. I1 s'agit notamment d'obtenir une séparation parfaite du gaz et de la neige, un freinage convenable des cristaux de neige, ainsi qu'un accroissement de la proportion de neige. Ce but est atteint par la présente invention grâce au fait que l'anhydride carbonique se détendant est dirigé contre une surface courbe tournant sa concavité vers le bas, et que la neige se formant est évacuée à travers une ouverture ménagée dans la partie inférieure de cette surface, l'échappement indésirable de gaz carbonique par ladite ouverture étant empêché au moyen d'un rideau de neige recouvrant cette ouverture. La proportion de neige est accrue, d'autre pertWavantageusement par le re froidissement de l'anhydride carbonique liquide avant la détente dans un échangeur de chaleur (réfrigérant) placé dans la zone de détente de l'anhydride carbonique gazeux. L'appareil mettant en oeuvre ce procédé est caractérisé par un corps métallique comportant unHgroupe de buses susceptibles d'être raccordées à une réserve d'anhydride carbonique liquide et dirigées vers une surface courbe tournant sa concavité vers le bas et dans la partie inférieure de laquelle est pratiquée une fente orientée transversalement à la direction d'écoulement et dont l'arête située en aval se trouve au-dessus de la tangente que décrit la neige quittant l'arête situee-en amont. L'invention concerne de plus l'application spéciale de l'appareil précité dans une installation de congélation, l'anhydride carbonique liquide étant introduit à travers l'appareil dans une chambre de congélation, le gaz carbonique se formant à l'intérieur de l'appareil étant prélevé de ce dernier et étant ramené à cet appareil après avoir été liquéfié. Le rendement frigorifique de l'installation de congélation est alors déterminé sewlexent par la chaleur de sublimation de la neige carbonique sortant de l'appareil. En égard au freinage néeessaire du gaz carbonique et des cristaux de neige qu'il entrarne, il peut titre avantageux de faire passer l'anhydride oxrbonique, peu après sa sortie des buses, à travers un diffuseur dont l'angle dtouverture vaut de préférence 7 . Le dispositif réfrigérant sus-mentionné de l'appareil comporte avantageusement un certain nombre de tubes refroidisseurs, pratiquement parallèles et courbés au moins approximativement en spirale qui font communiquer un tuyau répartiteur débouchant dans le corps métallique et raccordé à la réserve d'anhydride carbonique liquide avec les diverses buses du groupe. Selon une autre forme de réalisation, l'appareil peut être étendu à la façon d'un 3ew de construction par le fait qu'entre le premier corps métallique ouvert d'un caté et un couvercle de fermeture on peut insérer un nombre quelconque d'élements intermédiaires et que le tuyau répartiteur, le groupe de tubes refroidisseurs et le groupe de buses forment une unité susceptible d'être introduite de façon séparable dans le corps. Fn vue dé l'obtention d'une transmission favorable de la chaleur, cette unité est exécutée de préférence en cuivre pratiquement pur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti-ront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels X - la Fig. 1 est une vue simplifiée en élévation de faoe d'un appareil de production de neige carbonique suivant l'invention ; - la Fig. 2 est une vue en coupe prise le long de la ligne II II de la Fig. 1 ; - la Fig. 3a est une coupe faite le long de la ligne -Illa-Illa de la Pig.- 2 ;; - la og. 38 est une coupe faite le long de la ligne IIIb-IIIb de la Fig. 3a ; - la Fig. 4 représente schématiquement en coupe la partie d'une buse ; - la-Pig. 5 montre une variante de construction de la Fig. 4 ; - la Fig. 6 représente un détail de réalisation ; - la Fig. 7 montre une unité formée de plusieurs éléments individuels assemblés à- la façon d'un Jeu de construction - la Fig. 8 illustre l'utilisation de l'appareil précité dans le cadre d'une installation de congélation avec reliquéfaction du gaz carbonique recueilli. L'appareil representé aux Fig. 1 et 2, abstraction faite de détails sans importance, comporte un corps en acier 1 parallélépipé dique muni d'un évidement 2. Comme le montre en particulier la Fig. 1, l'évidement 2 est constitué essentiellement par une partie pratiquement en forme de cylindre de révolution se raccordant-à un canal 2a ouvert vers le-haut. Dans le bas de l'évidement 2 est disposée une fente de déviation 3 à laquelle fait suite un puits de descente vertical 4. Ainsi qu'il en ressort de la Fig. 2, l'évidement 2 est limité d'un côté par la paroi la du corps et est fermé du cOté opposé par un couvercle lb, qui peut être vissé sur le corps (trous taraudés 5) et obture ainsi latéralement l'évidement 2 de manière étanche au gaz. -A l'intérieur du corps se trouve un groupe de refroidissement -et de pulvérisation désigné par 6 dans son ensemble et dont ltagen- cementest visible sur les Fig. 1 à 5. Ce groupe 6, exécuté en ouivre pratiquement pur dans une forme de réalisation préférée, comprend un tuyau 7 dont une extrémité frontale est fermée par une paroi 8, tandis qu'un filetage 9 est prévu dans le tronçon opposé du tuyau. Par un perçage 10 du corps, le tuyau 7 s'engage dans ce corps et est muni d'un appendice ll sur sa partie située à l'inté- rieur de l'évidement 2. Cet appendice, pareillement en cuivre, est soudé sur la partie supérieure du tuyau 7 et est muni dans sa partie inférieure d'une chambre 12 en communi-cation avec l'alésage du tuyau 7.A la chambre 12 sont raccordées les extrémités de cinq tubes en cuivre 13, qui entourent en spirale le tuyau 7 et débouchent dans la partie supérieure de l'appendice 11. Ces tronçons terminaux supérieurs des tubes en cuivre 13 se rétrécissent à l'in- térieur de l'appendice 11 et débouchent dans des buses 14, comme le montre en particulier la Fig. 4. Après enlèvement du couvercle lb avec le tuyau 7, le groupe pulvérisation et de refroidissement 6 est introduit dans le perçage 10-du corps, la partie supérieure lla (Fig. 1) de l'appendice 11 venant alors prendre appui sur un épaulement correspondant lc du corps. Lorsque le tuyau 7 est raccordé au moyen d'une conduite non représentée à une réserve d'anhydride carbonique liquide, celui-ci pénètre par l'alésage du tuyau dans la chambre 12, d'où il parvient dans les tubes en cuivre 13 disposés parallèlement côte à cOte et s'échappe finalement des buses 14 dans une enceinte 15 qui est limitée, d'une part, par la paroi îd du corps, et d'autre part, par les surfaces externes des cinq tubes en cuivre 13. Lors de la détente de l'anhydride carbonique liquide, il se forme d'une part de la neige carbonique et, d'autre part, de l'anhydride carbonique gazeux. Sous 1 ssaetion de la force centrifuge, les cristaux de neige sont maintenus sur la paroi externe ld de l'enceinte 15 et parviennent ainsi sur l'arête 16 délimitant en amont la fente de déviation 3, puis ils se détachent de cette arête et-tombent tangentiellement sous la forme d'un rideau de neige dans le puits de descente 4. L'arête 16 est conformée de telle façon que le rideau de neige 17 passe au-dessus de L'arête 18 délimitant la fente de déviation 3 du cEté opposé et que les cristaux de neige tombent alors dans le puits de descente 4. Gr ce à cet agencement des arêtes délimitant la fente de déviation 3, il est certain que pratiquement tous les cristaux de neige sont évacués par le puits de descente 4 et quten méme temps le rideau continu de neige évite tout échappement indésirable de gaz à travers ce puits 4. L'anhydride carbonique gazeux sort du corps en direction des flèches 19 en léchant les surfaces externes des tubes de cuivre 13, qui sont soumis de cette manière à un refroidissement intensif. L'anhydride carbonique liquide parcourant les tubes en cuivre 13 est par conséquent pré-refroidi avant d'être pulvérisé, ce qui permet d'accrortre notablement le rendement en cristaux de neige. On peut prouver expérimentalement que la proportion de neige carbonique peut autre augmentée de 5 à 15% par ce refroidissement préalable. Les cristaux de neige s'écoulant vers le bas à travers le puits de descente 4 possèdent une vitesse qui s'avère trop élevée pour de nombreux cas d'application, par exemple pour la pulvérisation sur des volailles. Les cristaux de neige rebondissent en partie à leur im- pact sur les produits devant étre congelés. Pour cette raison, il est souhaitable de freiner les cristaux de neige avant mème qu'ils ne sortent de la fente de déviation 3. Ce freinage est réalisé avantageusement par le fait que les buses 14 débouchent dans des diffuseurs 20, dans lesqpls le gaz a"érthappa;at est freiné.Les cristaux de neige entra4nés par le gaz ne subissent naturellement pas le même freinage que les molécules de gaz, mais le freinage de la neige carbonique susceptible d'être obtenu effectivement par ce moyen est parfaitement suffisant pour garantir une vitesse acceptable de la neige sortant du puits de descente 4. Dans une forme de réalisation préférée, ltangle d'ouverture des diffuseurs 20 est d'environ 5 à 9 . Il- est possible de prévoir pour chaque buse 14 un diffuseur conique séparé 20, ou de faire déboucher toutes les buses 14 dans un diffuseur allongé, limité par deux parois inclinées. On sait par expérience que les cristaux de neige qui cheminent en direction de la flèche 21 sur la paroi la (Fig. 1) ont tendance à former un tapis légèrement bombé sur les deux bords longitudinaux. Par suite de ce bombement latéral, les cristaux de neige considérés peuvent rencontrer l'arête 18 limitant en aval la fente de déviation 3 et être mis ainsi en turbulence dans le courant de gaz. Pour éviter cet inconvénient la surface ld est conformée, au moins dans sa partie inférieure, selon la Fig. 6, d'après laquelle la partie médiane plane est limitée par deux creusures le et lf. Dans ce cas, le tapis de neige 22 présente une face supérieure plane et l'inconvénient précité est éliminé avec certitude. Comme le montre la Fig. 7, l'appareil décrit en référence aux Fig. 1 à 6 peut être étendu à la façon d!un Jeu de construction par adjonction d'éléments intermédiaires. Au premier élément 1, qui correspond à appareil sus-décrit, est raccordé un élément intermédiaire 2,3, dont l'évidement 2 doit être naturellement ouvert des deux c8tés. I1 en est de même des éléments suivants 24 et 25, l'élément ouvert 25 devant être fermé de nouveau par un couvercle lb. Le groupe de pulvérisation et de refroidissement 6 peut être également aménagé en vue d'une extension à volonté par des éléments individuels réunis entre eux par vissage. Le gaz carbonique sortant du corps en direction des flèches 19 (Fig 1) ne continent pas d'air et peut être par conséquent amené directément à une installation de liquéfaction, sans la séparation conteuse que nécessitent les appareils connus. Grâce à cette pureté du gaz carbonique recueilli, ainsi qu'à la séparation sans équivoque, confirmée par des essais, entre le gaz carbonique et la neige, l'appareil décrit peut être monté avec avantage dans une installation de congélation conformément à la Fig. 8. La chambre de congélation 26 est pourvue d'un convoyeur en spirale 27, qui transporte les produits devant titre congelés de A vers B à travers la chambre. Dans la partie supérieure de la chambre de congélation est disposé un appareil 28 pour la production de neige selon l'invention, qui est alimenté en anhydride carbonique liquide par une conduite 29. L'anhydride carbonique se détendant dans l'appareil 28 forme, d'une part, la neige carbonique désignée par 30, tandis que, d'autre part le gaz qui se dégage est aspiré au moyen d'un ventilateur 32 par l'intermédiaire d'une conduite 31 et amené à une installation de liquéfaction 33, d'où l'anhydride carbonique liquide revient par un réservoir intermédiaire 34 dans la conduite d'alimentation 29 de l'appareil 28. Le gaz provenant de la sublimation de la neige carbonique et se rassemblant dans la chambre de congélation en est extrait par un dispositif d'aspiration non représenté. Dans les installations de congélation connues, la neige carbonique est pulvérisée en même temps que le gaz dans la chambre de congélation, de sorte que le gas se mélange à l'air parvenant en même temps dans la chambre et est aspiré avec cet air. Pour séparer le gaz carbonique de l'air, il faut prévoir une installation compliquée et extrêmement onéreuse, qui est supprimée par la mise en oeuvre de l'appareil conforme à ltinvention. Sans sortir du cadre de l'invention, lthomme de l'art est à m-- me d'apporter des modifications sariées aux exemples de réalisation décrits en référence aux Fig, 1 à 8. L'évidement 2 (piu. 1) du corps 1 peint présenter, par exemple, la forme d'un cylindre de révolution de rayon r. Ians 1'appQreil décrit, ce rayon peut titre aisément maintenu relativement faible, de sorte que les forees eentrifuges prenant naissance et repoussant les cristaux de neige contre la paroi ld sont relativement grandes. Les cristaux de neige cheminent ainsi vers le bas le long de la paroi ld en direction de la flèche 21 et parviennent alors tangentiellement dans le puits de descente 4, ce mouvement de chute étant favorisé par la gravité. La surface concave Id pourrait aussi bien être orientée vers le cOté ou vers le-haut. Comparativement 11 l'état connu de la technique, l'appareil con- forme à l'invention offre par conséquent les principaux avantages suivants : - une séparation sans équivoque entre la neige carbonique et l'anhydride carbonique gazeux ; - la possibilité d'extraire de l'appareil et d'amener directement à la liquéfaction l'anhydride carbonique totalement débarrassé d'air lasuppressionde toute turbulence dans la zone de formation et de transport des cristaux de neige - l'augmentation de la proportion de matière solide (neige) par refroidissement préalable et, par suite, l'amélioration du rendement - la mise à profit de la-gravité et de la force d'inertie en vue de l'évacuation des cristaux de neige - l'obtention d'une force centrifuge relativement élevée par le choix d'un petit rayon de courbure - la possibilité d'une extension pratiquement quelconque suivant le système du Jeu de construction - l'absence dans l'appareil de tout goulet, pouvant être à lto- rigine d'obatruction ou d'agglomérations de matière. - REVENDICATIONS 1 - procédé de production de neige carbonique par détente d'anhydride carbonique liquide, caractérisé en ce que l'anhydride carbonique se détendant est dirigé contre une surface de courbure concave et en oe que la neige se formant est évacuée à travers une ouverture ménagée dans la zone de cette surface, l'échappement indésirable de gaz carbonique par ladite ouverture étant empêché au moyen d'un rideau de neige recouvrant cette ouverture. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'a vant sa détente l'anhydride carbonique liquide est dirigé à travers un réfrigérant qui se trouve dans la zone où le gaz carbonique se détend. 3 - Proeédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, peu après sa sortie d'une buse, l'anhydride carbonique est dirigé à travers un diffuseur et est ainsi freiné. 4 - Appareil pour la mise en oeuvre dtun procédé selon l'une quelconque des revendications 1à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un corps métallique (1) comportant une buse ou un groupe de buses (14) susceptibles d'entre raccordées à une réserve d'anhydride carbonique liquide--et dirigées vers une surface de courbure concave (lu), dans la aone de laquelle est pratiquée une fente (3) orientée transversalement à la direction d'écoulement et dont ltarEte située en aval (18) se trouve en dehors de la tangente que décrit la neige qui quitte l'arête (16) située en amont, du c8té tourne vers l'in- térieur du corps. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'intérieur du corps métallique (1) est disposé un-groupe dere- froidissement (6) qui est parcouru par l'anhydride carboniqaeli- quide et autour duquel s'écoule- l'anhydride carbonique gazeux en cours de détente. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le groupe de refroidissement comporte un certain nombre de tubes refroidisseurs, pratiquement parallèles et courbés au moins approximativement en spirale, qui font communiquer un tuyau répartiteur débouchant dans le corps métallique et raccordé à la réserve d'anhydride carbonique liquide avec les diverses buses du groupe. 7 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à chaque buse (14) du groupe fait suite un cOne diffuseur (20) destiné à freiner le gaz se formant par la détente de 1 'anhydride car bonique liquide et, avec ce gazoles particules de neige. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du cône diffuseur vaut 70 environ. 9 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le corps métallique (1) est parallèlépipédi que et que l'enceinte délimitée par ce corps est limitée d'un côté par un couvercle amovible (lb). 10 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il peut etre étendu à la façon d'un jeu de construction par le fait qu'entre le premier corps métallique (1) ouvert d'un c8té et le couvercle (lb)on peut insérer un nombre quelconque d'éléments intermédiaires (23, 24, 25) et que le tuyau répartiteur (7), le groupe de tubes refroidisseurs (13) et le groupe de buses (14) forment une unité (6) susceptible d'être introduite de façon séparable dans le corps. 11 - Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ee que l'unité (6) est exécutée en cuivre pratiquement pur. 12 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface de courbure conclave (ld) est pourvue, au moins dans son tronçon d'extrémité, sur chacun de ses deux bords longitudinaux, d'une creusure (le, 1f) en vue de conférer une face supérieure pratiquement plane au rideau de neige se détachant de ces bords. 13 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que la courbure de la surface concave est tournée vers le bas. 14 - Application de l'appareil selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 13 dans une installation de congélation, caractérisée en ce que l'anhydride carbonique liquide est introduit à travers l'appareil dans une chambre de congélation (26), le gaz carbonique se formant à l'intérieur de l'appareil (28) étant prélevé directement de ce dernier et étant ramené à cet appareil après avoir été liquéfié.