Brevet FR2505999A1 — publié le 19821119

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour collecter de façon continue un condensat con- tenu dans un courant de gaz sous pression. Lors de la production d'un gaz sous pression, le gaz pré-pressurisé qui a une teneur en vapeur donnée est aspiré le plus couramment dans un compresseur de type rotatif, axial ou à piston o il est soumis à une pressu- risation. Pendant la pressurisation, la température d'une masse donnée de gaz augmente immanquablement et cela est imputable en partie à la température de fonctionnement du compresseur au travers duquel le gaz à comprimer doit pas- ser O Il est courant que des compresseurs industriels d'air du type à piston fonctionnant dans des plages de pression de 6,9 à 10,3 bar ( 100 à 150 p s i) établissant des températures de gaz sous pression supérieures à 2040 C ( 4000 F) Dans de nombreuses applications, des températures de gaz comprimé de cette valeur sont considérées comme inacceptables et il est par conséquent assez courant d'utili- ser un ou plusieurs post-refroidisseurs en aval du compres- seur pour réduire la température du gaz comprimé O Les postrefroidisseurs peuvent se présenter sous la forme d'un simple échangeur de chaleur à air ambiant ou d'un échangeur de chaleur à chemise d'eau Bien que la tem- pérature du gaz sous pression soit réduite, ces échangeurs de chaleur ne sont pas destinés ou ne sont pas capables de fonctionner comme des collecteurs-condenseurs de vapeur puis- que, quelle que soit la condensation produite dans le post- refroidisseur, elle est normalement entraînée en même temps que le courant de gaz comprimé Un condensat qui est formé est habituellement collecté et extrait du courant de gaz com- primée à l'aide d'un séparateur à cyclone ou d'autres for- mes de collecteurs de condensats spécifiquement conçus dans ce but. Lorsqu'un courant canalisé de gaz sous pression peut se refroidir sur la longueur de son conduit de canalisation, du fait d'un échange de chaleur se produisant au travers du conduit avec un fluide de refroidissement tel que de l'eau ou l'air ambiant par exemple, la vapeur se trouvant dans le courant de gaz comprimé se condense en aval d'un point o le point de rosée du gaz comprimé à une température don- née est en équilibre avec une température donnée du fluide de refroidissement Dans le cas d'air comprimé, lorsqu'on utilise des outils pneumatiques, cela peut produire le passage d'eau condensée au travers de l'outil et causer une usure prématurée de ce dernier par suite d'une élimination de son lubrifiant par lavage Dans des cas extrêmes, la vapeur d'eau condensée peut geler lorsque la canalisation est soumise à des températures inférieures à O C. Il est par conséquent nécessaire de disposer d'un procédé et d'un appareil permettant de collecter de façon continue un condensat à partir d'un courant de gaz compri- mé,ce procédé et cet appareil permettant, en utilisant le principe de la source froide, de collecter et d'extraire un condensat lorsque le point de rosée de la vapeur conte- nue dans le gaz comprimé est supérieur à la température du fluide de refroidissement, d'une manière simple et peu coû- teuse. Par exemple on a utilisé traditionnellement de gran- des quantités d'air comprimé, en combinaison avec de l'eau sous pression, pour produire ce qu'on a appelé de la "neige artificielle" Habituellement on utilise un post-refroi- disseur et un séparateur à cyclone comme décrit ci-dessus. Cependant, en aval du séparateur, le courant d'air compri- mé est soumis à un refroidissement additionnel et il en ré- sulte une condensation d'une quantité additionnelle de va- peur d'eau Ce condensat est déchargé de la buse de pro- duction de neige mais il est soumis à une congélation et, s'il s'accumule en quantité suffisante, il peut obstruer un ou bien les deux conduits d'alimentation du canon de production de neige ou bien le canon proprement dit. Puisqu'en majeure partie les conduits d'alimenta- tion en air comprimé intervenant dans la fabrication de neige faite par l'homme sont enfouis dans le sol, la tem- pérature du sol autour du conduit peut généralement être considérée comme étant légèrement supérieure, au niveau le plus bas, au point de congélation (OOC)0 Cependant la production effective de neige artificielle est normalement réalisée seulement quand la température de l'air ambiant est de O C ou moins, et assez souvent bien inférieure à 00 C En conséquence, d'un point de vue idéal dans des opé- rations de production de neige, on doit extraire le conden- sat d'eau de l'air comprimé à une température de point de rosée qui est inférieure à la température du sol de manière que, lorsque l'air comprimé s'écoule dans le conduit d'ali- mentation, la température soit un peu supérieure à la tempé- ratude de point de rosée o la vapeur d'eau est condensée et collectée De façon optimale, la température de point de rosée de l'air comprimé utilisé dans de telles applications doit être inférieure à la température de l'air ambiant. Bien que le procédé et l'appareil de condensation selon l'invention, qui font intervenir le principe de la source froide, conviennent de façon idéale pour extraire un condensat d'eau contenu dans de l'air comprimé, leur appli- cation n'a pas besoin d'être limitée de la sorte du fait qu'il est possible d'extraire un condensat d'autres gaz sous pression que l'air En outre il est évident que le fluide de refroidissement intervenant nécessairement par échange de chaleur avec le gaz ou l'air comprimé peut par exemple être un réfrigérant, de l'air ambiant, de l'eau ou une com- binaison appropriée desdits milieux. Conformément à la présente invention, l'appareil de condensation de vapeur utilisé pour collecter de façon continue un condensat contenu dans un courant de gaz com- primé le traversant comprend au moins un ensemble de con- densation de forme allongée qui comporte une extrémité su- périeure et une extrémité inférieure Chaque ensemble de condensation comporte des parties tubulaires intérieure et extérieure espacées l'une de l'autre et s'étendant entre les extrémités dudit ensemble Un premier passage ménagé dans ledit ensemble pour l'écoulement du fluide de refroi- dissement est défini par le volume intérieur de la partie tubulaire intérieure Un second passage d'air comprimé de l'ensemble est défini par l'espacement existant entre les parties intérieure et extérieure écartées l'une de l'autre. L'extrémité inférieure ou "chaude" comprend un collecteur d'entrée de gaz comprimé qui communique avec le second passage L'extrémité supérieure ou "froide" comprend d'au- tre part un collecteur de sortie de gaz comprimé qui commu- nique de façon semblable avec le second passage Il est également prévu un moyen de décharge de condensat à l'extré- mité inférieure de l'ensemble pour évacuer le condensat col- lecté dans le second passage. La surface extérieure de la partie tubulaire exté- rieure peut avantageusement être nervurée ou pourvue d'ai- lettes par exemple pour établir un échange de chaleur entre l'air ambiant et le gaz comprimé, On peut également faire passer l'air ambiant dans le premier passage comme fluide d'échange de chaleur pour refroidissement Il est égale- ment à noter qu'on peut utiliser d'autres agents de refroi- dissement Par exemple on peut employer de l'eau comme fluide d'échange de chaleur dans le premier passage et à l'extérieur de la partie tubulaire extérieure. Lorsque l'air comprimé constitue le gaz pressurisé qui se trouve à une température élevée par rapport à la tem- pérature de l'air ambiant pouvant être employé comme fluide de refroidissement, l'air comprimé passe dans le second passage du bas vers le haut dudit ensemble Bien que l'ensemble proprement dit puisse être positionné vertica- lement, il est préférable de l'incliner pour des raisons qui seront précisées dans la suite Puisque le courant d'air comprimé passant dans le second passage est, dans l'exemple considéré, en relation d'échange de chaleur avec l'air ambiant entourant la partie tubulaire extérieure, on assure un refroidissement de l'air comprimé Un re- froidissement additionnel du courant d'air comprimé se produit par suite de l'échange de chaleur entre ce courant et le fluide de refroidissement s'écoulant dans le premier passage et qui peut à nouveau, le cas échéant, être de l'air à température ambiante. La description faite ci-dessus montre que, une fois que la température de point de rosée d'un gaz compri- mé passant dans l'appareil est en équilibre avec la tempé- rature du fluide de refroidissement, et lorsque le gaz comprimé continue à s'écouler vers le haut le long du se- cond passage, la vapeur contenue dans le gaz comprimé est obligée de se condenser et de descendre le long de la pa- roi intérieure de l'élément tubulaire extérieur (et éven- tuellement le long de la paroi extérieure de l'élément tubulaire intérieur) dans une direction inverse de 1 'écou- lement ascendant de gaz comprimé. Par inclinaison de l'appareil de condensation, on fait en sorte que, lorsqu'il se forme un condensat, celui- ci ait tendance à s'accumuler le long de la zone inférieure inclinée du second passage puis à s'écouler vers le bas en direction de son extrémité inférieure o une évacuation du condensat ainsi collecté s'effectue en utilisant un moyen de décharge approprié. Si la vitesse du gaz comprimé dans le second passa- ge est trop grande, il ne peut pas s'établir un échange de chaleur suffisant avec le fluide de refroidissement, pour une longueur donnée dudit ensemble, pour produire une condensation On peut remédier commodément à cet incon- vénient soit en dimensionnant le second passage de façon que sa taille, sa longueur ou bien les deux paramètres fa- vorisent la production de condensat dans une plage donnée de températures, soit en réduisant la vitesse de l'air comprimé le traversant A ce dernier point de vue, et conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, l'appareil de condensation peut être constitué de plusieurs ensembles de condensation du type décrit ci-dessus, qui sont disposés en parallèle et dans lesquels chaque collec- teur d'entrée de gaz comprimé est relié à un distributeur commun d'entrée de gaz comprimé tandis que chaque distri- buteur de sortie de gaz comprimé est relié de façon sem- blable à un collecteur commun de sortie de gaz comprimé. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale de l'ensemble con- denseur dont des parties internes ont été indiquées en vue arrachée pour faciliter la compréhension du dessin, la figure 2 est une vue en plan de deux ensembles de ce genre qui sont placés en parallèle, la figure 3 est une vue en coupe faite suivant la ligne III-III de la figure 1, et la figure 4, apparaissant sur la même feuille que la figure 1, est une vue en coupe du collecteur d'entrée faite suivant la ligne IV-IV de la figure 2. L'appareil de condensation de vapeur représenté sur les dessins correspond à un appareil qui utilise, en parallèle, deux ensembles de condensation 1; cependant il va de soi que, en fonction du débit de gaz comprimé, on peut utiliser un seul ensemble ou plus de deux ensem- bles Pour faciliter la compréhension du dessin, on a adopté des références numériques semblables pour désigner des composants identiques sur les dessins. Chaque ensemble 1 comporte une extrémité supérieu- re et une extrémité inférieure et il est constitué d'une partie tubulaire intérieure 2 et d'une partie tubulaire extérieure 3 De préférence la partie intérieure 2 est coaxiale à la partie tubulaire 3 et elle est maintenue es- pacée de celle-ci par des moyens appropriés, par exemple des nervures d'espacement 5 qui sont espacées radialement les unes des autres. En considérant plus particulièrement les figures 1 et 3, on voit que la partie tubulaire 2 définit, sur une longueur substantielle de l'ensemble 1, un premier passage 6 ou passage intérieur Un second passage, ou passage exté- rieur, qui a une section droite annulaire est défini entre les parties tubulaires 2 et 3 e Ce second passage 7 peut en fait être composé d'une multiplicité de chambres longi- tudinales réparties annulairement et séparées par une ner- vure 5, comme le montre la figure 3. L'ensemble 1 est de préférence placé dans une po- sition inclinée, comme le montre la figure 1 Comme in- diqué dans la vue arrachée de ce dessin, la partie tubu- laire intérieure 2 est engagée à son extrémité inférieure, par l'intermédiaire d'un coude incurvé 15, dans la partie tubulaire extérieure 3 de façon à la traverser et à sortir à l'extérieur D'une manière semblable, une zone coudée 14 reliée à la partie tubulaire intérieure à son extré- mité supérieure traverse de la même façon la partie tubu- laire 3 et sort de celle-ci en 17 Les coudes 14 et 15 constituent effectivement des prolongements de la partie tubulaire intérieure 2 mais ils sont isolés hermétiquement du second passage 7 dans la zone o ils traversent la par- tie tubulaire 3 aux points 16 et 17 Le coude 15 est relié au collecteur 18 qui est en communication avec le distribu- teur 19 On voit par conséquent que le distributeur 19 peut fonctionner comme une unité de distribution commune lorsque deux ensembles 1 ou plus sont disposés en parallè- le, comme cela sera décrit en détail dans la suite, par rapport au distributeur de gaz comprimé 9 Il suffit de préciser que, pour chaque ensemble 1, on peut introduire dans ledit ensemble un fluide de refroidissement, tel qu'un réfrigérant, de l'air, de l'eau ou un fluide sembla- ble par l'intermédiaire du tuyau d'alimentation 20, du dis- tributeur 19, du collecteur 18 et du coude 15 placé à son extrémité inférieure, le fluide étant déchargé à l'extrémité supérieure par l'intermédiaire de la partie coudée 14 Il est également à noter que le fluide de refroidissement qui passe à l'intérieur de l'ensemble 1 par l'intermédiaire de la partie tubulaire 2 peut être inversé dans un sens tel qu'il pénètre dans l'ensemble 1 par l'intermédiaire du cou- de 14 et qu'il soit déchargé de celui-ci à son extrémité opposée par l'intermédiaire du coude 15 Lorsque l'air ambiant est utilisé comme fluide de refroidissement par exemple, on peut relier une soufflante appropriée (non re- présentée) au tuyau d'alimentation 20 pour aspirer ou re- fouler de l'air dans le tube d'alimentation 2. L'extrémité inférieure ou "chaude" de l'ensemble 1 et plus particulièrement la partie tubulaire extérieure 3, est reliée à un collecteur d'entrée 8 comme le montrent les figures 1, 2 et 4 Dans une application o deux ensembles 1 ou plus sont disposés en parallèle, comme indiqué, chaque collecteur d'entrée 8 est relié à et communique avec un dis- tributeur d'entrée 9 qui communique à son tour avec le tuyau d'alimentation 12 qui est lui-même branché en aval d'un compresseur en vue du passage continu de gaz comprimé dans ledit circuit (non représenté). D'une manière un peu semblable, l'extrémité supé- rieure ou "froide" de l'ensemble 1, et plus particulière- ment la partie tubulaire 3, est reliée à un collecteur de sortie de gaz comprimé 10 qui communique avec ladite par- tie et avec le distributeur de sortie 110 Un tuyau de dé- charge de gaz comprimé 13 est fixé sur et communique avec le distributeur 11 Le tuyau de décharge 13 est à son tour relié à un conduit d'entrée (non représenté)0 Comme le montre la-figure 1, un courant de gaz com- primé à température élevée peut être introduit à l'intérieur de la partie tubulaire extérieure 3 par l'intermédiaire du tuyau d'alimentation 12, du distributeur d'entrée a et du collecteur d'entrée 8, le courant pouvant être déchargé à son autre extrémité par l'intermédiaire du collecteur de sortie 10, du distributeur de sortie 11 et du tuyau de dé- charge 13 La partie tubulaire extérieure 3 fonctionne, dans le mode de réalisation représenté, comme un échangeur de chaleur entre le gaz comprimé la traversant et l'air am- biant jouant le rôle du tube de refroidissement L'échan- ge de chaleur est en outre favorisé à l'aide de nervures 5 prévues sur la surface extérieure de la partie tubulaire 3. Un échange de chaleur se produit également entre le gaz com- primé s'écoulant dans le passage 7 et le fluide de refroi- dissement, par exemple de l'air à la température ambiante, s'écoulant dans le passage 6 de la partie tubulaire inté- rieure 2 Comme indiqué, cette forme intérieure d'échange de chaleur est encore favorisée par des nervures longitu- dinales 5 espacées l'une de l'autre et disposées entre la partie tubulaire intérieure 2 et la partie tubulaire exté- rieure 30 Il est évident que le gaz comprimé pénétrant dans l'extrémité inférieure ou "chaude" de l'ensemble se re- froidit à mesure qu'il progresse vers le haut le long du passage annulaire incliné 7 puisqu'il entre en échan- ge de chaleur avec le fluide de refroidissement situé à l'extérieur de la partie tubulaire 3 et à l'intérieur de la partie tubulaire 2 Par application du principe de la température froide en un point quelconque le long de son trajet vers le haut dans le passage 7, le gaz comprimé est suffisamment refroidi pour que sa température de point de rosée soit en équilibre avec la température du fluide de refroidissement et qu'un condensat apparaisse dans la partie tubulaire 3 à ou légèrement au-dessus de ce point. Le condensat ainsi formé a tendance à se rassembler à l'intérieur et le long de la partie inclinée complètement inférieure du passage 7 ou bien, lorsque des nervures 5 sont utilisées comme indiqué sur les dessins, le long de la partie complètement inférieure de chacune desdites nervures L'effet de gravitation sur le condensat accumulé est tel que celui-ci s'écoule vers le bas en direction de l'extrémité inférieure ou "chaude" de l'ensemble 1. Comme le montrent mieux les figures 1 et 4, le con- densat qui se déplace en sens inverse de l'écoulement de gaz comprimé progresse vers le bas de la partie tubulai- re 3 et du collecteur d'entrée 8 et il se collecte dans le distributeur 9. Le moyen particulier de décharge de condensat re- présenté à l'intérieur du distributeur 9 utilise un drain 24 placé au centre du distributeur 9 et en dessous de ce- lui-ci de manière à pouvoir décharger le condensat collec- té En référence à la figure 4 et pour favoriser encore l'écoulement descendant à contre-courant du condensat col- lecté le long de la zone inclinée complètement inférieure i de la partie tubulaire 3 et du collecteur d'entrée 8, un sous-plancher transversal 21 est positionné à la base du distributeur 21 au-dessus du drain 24 Une chicane trans- versale verticale 22 est fixée sur le sous-plancher 21, comme le montre la figure 4, plusieurs trous étant répar- tis sur la longueur du sousplancher 21 à droite de la chicane 22 pour permettre le passage du condensat et son évacuation finale hors du distributeur 9 par l'intermé- diaire du drain 24 Le condensat collecté est confiné, au-dessus du sous-plancher 21, à droite de la chicane 22. On estime également que cette chicane 22 contribue, sur sa droite, à l'établissement d'un environnement à pression né- gative par rapport au reste du gaz comprimé introduit dans le distributeur 9 par l'intermédiaire du tuyau d'alimenta- tion 12 et contribue ainsi encore à la collecte du conden- sat en vue de sa décharge finale. Lorsqu'on fait fonctionner le condensat avec de l'air comprimé et lorsqu'on utilise de l'air ambiant très froid comme fluide de refroidissement, on constate que la température de décharge de l'air comprimé à l'extrémité froide est bien inférieure au point de congélation de l'eau (QOC) Il peut se produire une ligne de congélation en un point situé le long du passage 7 mais l'accumulation de glace au-dessus de ce point ne semble pas affecter ses performances globales On suppose que, lorsque le passage est obstrué, la vitesse de l'air comprimé passant dans cet- te zone confinée est augmentée en produisant un dégivrage du dépôt de glace et en exerçant ainsi un effet d'auto-régu- lation En outre on estime également qu'il se produit un équilibrage de la formation de glace entre deux ensembles ou plus fonctionnant ensemble, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement continu dans des conditions difficiles cor- respondant à un temps froid. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cidessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Appareil de condensation de vapeur pour collec- ter de façon continue un condensat à partir d'un courant de gaz comprimr le traversant, ledit appareil comprenant au moins un ensemble de condensation ( 1) de forme allon- gée avec une extrémité supérieue et d'une extrémité in- férieure et dans lequel chacun desdits ensembles comprend des parties tubulaires intérieure et extérieure espacées l'une de l'autre et s'étendant entre lesdites extrémités, un premier passage ( 6) ménagé dans ledit ensemble pour l'écoulement de fluide de refroidissement et défini par l'intérieur de ladite partie tubulaire intérieure, un second passage ( 7) ménagé dans ledit ensemble pour l'écou- lement du gaz comprimé et défini par l'espacement entre lesdites parties tubulaires intérieure et extérieure es- pacées l'une de l'autre, un collecteur d'entrée de gaz comprimé ( 8) communiquant avec le second passage à son ex- trémité inférieure, un collecteur de sortie de gaz compri- mé ( 10) communiquant avec le second passage à son extré- mité supérieure et un moyen de décharge de condensat ( 9, 24) prévu à l'extrémité inférieure dudit ensemble pour évacuer le condensat collecté dans le second passage. 2) Appareil de condensation de valeur selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre plu- sieurs ensembles de condensation qui sont disposés en pa- rallèle et en ce que le collecteur d'entrée de gaz compri- mé de chaque ensemble est inclus dans un distributeur com- mun d'entrée de gaz comprimé tandis que le collecteur de sortie de gaz comprimé de chaque ensemble est inclus dans un distributeur commun de sortie de gaz comprimé. 3) Appareil de condensation de vapeur selon la reven- dication 2, caractérise en ce qu'il comprend des moyens de ventilation pour faire passer de l'air ambiant, servant de -2505999 fluide de refroidissement, dans ledit premier passage, 4) Appareil de condensation de vapeur selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le- dit moyen de décharge de condensat est logé dans ledit collecteur d'entrée de gaz comprimé. ) Appareil de condensation de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit gaz comprimé est de l'air comprimé et en ce que ledit condensat est de l'eau. 6) Appareil de condensation de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface extérieure de ladite partie tubulaire extérieure de chacun desdits ensembles comporte une plura- lité d'ailettes de refroidissement. 7) Procédé pour extraire de façon continue un conden- sat de vapeur à partir d'un courant de gaz comprimé o là température de point de rosée de la vapeur du gaz comprimé est supérieure à la température d'un fluide de refroidis- sement, procédé caractérisé en ce qu'on fait passer ledit gaz comprimé à une vitesse prédéterminée au travers de-et vers le haut le long d'un passage incliné qui est en rela- tion d'échange de chaleur avec le fluide de refroidissement- pour former ainsi un condensat dans le courant de gaz com- primé, en ce qu'on permet au condensat de s'écouler-vers le bas dans ledit passage à contre-courant par rapport au gaz comprimé et en ce qu'on évacue ledit condensat à la partie inférieure dudit passage incliné. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit gaz comprimé est de l'air comprimé et en ce que ledit condensat est de l'eau. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit fluide de refroidissement est de l'air am- biant. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que l'échange de chaleur en- tre le gaz comprimé et le fluide de refroidissement se produit à l'intérieur et à l'extérieur dudit passage.