Brevet FR2545588A1 — publié le 19841109

La présente invention concerne la technique de réfrigération par un agent cryogénique dans la gamme de températures comprise entre la température ambiante et la température de cet agent, ainsi que son application au piégeage frigorifique de certains constituants d'un mélange de fluides L'invention s'applique en particulier à la réfrigération par l'azote liquide dans la gamme de températures comprise entre O et -1000 C environ. L'azote liquide est disponible à une température très basse, qui est 1960 C sous la pression atmosphérique On ne peut donc l'utiliser qu'indirectement pour refroidir une région déterminée dans la gamme de températures comprise entre O et 1000 C environ Des techniques courantes consistent soit à pulvériser l'azote liquide dans un tunnel ou dans une enceinte o l'on assure la circulation forcée de gaz à température régulée, soit à faire circuler un liquide caloporteur entre la région à refroidir et un échangeur de chaleur alimenté en azote liquide. Ces techniques connues mettent en oeuvre des dispositifs relativement coûiteux (pompes, ventilateurs) qui se justifient lorsque les puissances frigorifiques à échanger sont importantes, mais il existe un besoin d'appareils plus économiques pour les puissances frigorifiques modérées, notamment dans de nombreux cas d'épuration de gaz. L'invention a pour but de satisfaire ce besoin A cet effet, elle a pour objet un appareil destiné à réfrigérer au moyen d'un agent cryogénique une région déterminée à une température comprise entre la température ambiante et la température dudit agent, caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc dont l'évaporateur est disposé dans ladite région et dont le condenseur est en relation d'échange thermique avec un dispositif isotherme maintenu à une température de consigne par un courant régulé d'azote liquide, ce caloduc contenant un fluide dont le domaine d'ébullition s'étend de part et d'autre de ladite température de consigne. Dans le présent mémoire, on entend par "caloduc" tout dispositif de transfert de chaleur comprenant une enceinte étanche qui contient un fluide diphasique et qui présente une zone de vaporisation appelée évaporateur, une zone de condensation appelée condenseur et, éventuellement, une zone adiabatique intermédiaire. L'invention a également pour objet un piège frigorifique pour mélange de fluides comprenant une enceinte de circulation du mélange à épurer pourvue d'un appareil de réfrigération tel que défini ci-dessus. Dans un mode de réalisation avantageux, l'enceinte a une forme allongée, et l'évaporateur du caloduc est constitué par un tube qui s'étend sur toute la longueur de l'enceinte, à l'intérieur de celle-ci. Lorsque le piégeage conduit à la formation d'un dépôt solide, comme c'est le cas dans les opérations de déshydratation d'un gaz, le tube est pourvu de moyens de chauffage, ce qui permet d'effectuer très commodément la régénération. Plusieurs modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 4 représentent respectivement quatre pièges frigorifiques conformes à l'invention. Le piège frigorifique représenté à la figure I est destiné à éliminer d'un mélange de gaz un ou plusieurs constituants nettement moins volatils, par exemple pour récupérer un solvant coûteux et/ou polluant contenu dans un gaz Il comprend essentiellement une enceinte 1 pourvue d'un caloduc 2. L'enceinte 1 est cylindrique, d'axe vertical, et est limitée à sa partie supérieure par une plaque horizontale 3 Elle comporte dans sa région inférieure une conduite 4 d'entrée de gaz à traiter, et dans sa région supérieure une conduite 5 de sortie du gaz épuré Du point bas de cette enceinte part une conduite de purge 6, les conduites 4 à 6 étant équipées de vannes appropriées. Le caloduc 2 est un tube métallique qui s'étend suivant l'axe de l'enceinte 1 Ce tube, fermé à chaque extrémité, part du voisinage du point bas de l'enceinte, traverse un trou central de la plaque 3, dont il est solidaire, et dépasse au-dessus de celle-ci sur une courte longueur Sur la partie d'extrémité 7 du tube 2 située au-dessus de la plaque 3 est soudée une bague massive 8 en cuivre Sur cette dernière est brasé un serpentin hélicoïdal 9 relié à une conduite 10 d'alimentation en azote liquide, laquelle est pourvue d'une électrovanne 11 Cette électrovanne est commandée par une sonde de température 12 adaptée pour mesurer en permanence la température de la bague 8. Le tube 2 contient un fluide diphasique qui est tel que la température à laquelle le gaz doit être traité se trouve dans la région moyenne du domaine d'ébullition de ce fluide En d'autres termes, la température de traitement, qui est choisie de façon que la tension de vapeur saturante du ou des constituants à éliminer soit négligeable, doit être éloignée à la fois du point triple et du point critique dudit fluide A titre d'exemple, on peut choisir comme fluide le fluide connu sous la dénomination commerciale de "Fréon R 22 " pour les températures de traitement de l'ordre de O à 500 C, et l'éthylène pour les températures de traitement comprises entre 50 et 100 IC environ Ce dernier cas correspond par exemple à l'extraction du solvant C 2 H 50 H d'un courant d'azote, extraction qui peut s'effectuer vers 850 C. Sur toute sa partie contenue dans l'enceinte 1, c'est-à-dire sur l'évaporateur du calodue, le tube 2 est muni d'ailettes métalliques horizontales 13 Ces ailettes sont décalées horizontalement les unes par rapport aux autres de manière à constituer une série de chicanes qui définissent entre l'entrée 4 et la sortie 5 un trajet sinueux pour le gaz à traiter. L'ensemble constitué par l'enceinte 1, le caloduc 2, la bague 8 et le serpentin 9 est entouré d'un calorifugeage approprié. En fonctionnement, l'électrovanne Il est ouverte sous la commande de la sonde de température 12 de manière à amener puis à maintenir la bague de cuivre 8 à une température constante inférieure de quelques degrés à la température de traitement du gaz, pour tenir compte de l'imperfection des échanges de chaleur Du fait de la très grande conductibilité thermique du caloduc 2 (cette conductibilité est de l'ordre de plusieurs dizaines de fois celle du cuivre), l'ensemble du caloduc se met en équilibre à cette température L'azote vaporisé dans le serpentin 9 est évacué par une conduite 14. Lorsque l'équilibre thermique est atteint, on ouvre les vannes des conduites 4 et 5 de façon à faire circuler le gaz à traiter dans l'enceinte 1 Le gaz entrant, relativement chaud (par exemple à la température ambiante), apporte des calories à la partie du tube 2 contenue dans l'enceinte 1, et notamment à sa partie inférieure, qui contient du liquide En même temps, l'azote liquide apporte des frigories à l'extrémité supérieure du tube 2, par l'intermédiaire de la bague 8 Par suite, il se produit une ébullition du liquide au bas du caloduc et une condensation de la vapeur en haut de ce caloduc, dans son condenseur 7 La condensation produit une aspiration de la vapeur vers le haut, et le liquide ainsi formé redescend par gravité. Tant que le débit de gaz traité est tel que les puissances thermiques mises en jeu restent inférieures aux possibilités du caloduc 2, celui-ci reste pratiquement isotherme, à la température de la bague 8 Le gaz traité parcourt un trajet sinueux défini par les ailettes 13, en se refroidissant progressivement jusqu'à une température supérieure de quelques degrés à celle du caloduc Grâce à ce refroidissement, son ou ses constituants les moins volatils se condensent en quasi-totalité sur les ailettes 13 et sur la surface extérieure du tube 2, descendent dans l'enceinte 1 par gravité, et sont évacués au point bas de celle-ci par la conduite 6. Cet appareil est économique à réaliser et présente l'avantage important d'apporter les frigories au gaz à traiter exactement au niveau de température nécessaire, ce qui conduit à un excellent rendement. Pour éviter la formation sur les ailettes 13 d'un film liquide pouvant gêner l'échange de chaleur entre le gaz à traiter et le caloduc, on peut, en variante disposer l'enceinte 1 horizontalement ou avec une légère inclinaison sur l'horizontale Ceci présente également l'avantage de diminuer la quantité de fluide diphasique nécessaire pour garantir un bon mouillage de la totalité de la paroi intérieure du tube 2 Quelle que soit l'orientation de ce tube-, l'expérience montre que le sens de circulation du gaz peut être inversé. L'appareil de la figure 1 s'utilise dans le cas o les constituants piégés le sont sous forme liquide La variante de la figure 2 comporte en outre des moyens très simples de régénération qui permettent à l'appareil de piéger également des constituants qui se solidifient, comme c'est le cas pour les opérations de déshydratation des gaz. En effet, l'appareil de la figure 2 est identique à celui de la figure 1, à l'exception de la partie inférieure de l'enceinte 1: sur l'extrémité inférieure du tube 2 est soudée une deuxième bague massive en cuivre analogie à la bague 8 Cette bague 15 constitue une résistance électrique reliée par des fils 16 à une source de courant électrique La bague -15 est isolée de l'enceinte 1 par une plaque horizontale 17, et la conduite de purge 6 part d'un point situé juste au-dessus de cette plaque. Le fonctionnement de l'appareil de la figure 2 est identique à celui décrit plus haut en regard de la figure 1 D à ceci près que l'épuration du gaz traité a pour résultat la formation d'un dépôt solide, notamment de glace, sur le tube 2 et sur les ailettes 13 Apràs- un certain temps de fonctionnement, on f erm les vannes des conduites 4 et 5, ainsi que l'électrovanne 11, et on alimente la bague 15 en courant électrique Le caloduc 2 fonctionne alors en organe de transfert de chaleur de bas en haut en chauffant rapidement tout le tube 2 ainsi que ses ailettes Lorsque la température est remontée au-dessus de 00 C, la glace fond et s'écoule par gravité au bas de l'enceinte 1; l'eau ainsi recueillie est purgée par la conduite 6 Après cette opération de régénération, l'appareil est prêt pour effectuer un nouveau cycle d'épuration-régénération. Bien entendu, en pratique, on peut coupler deux appareils de ce type dont l'un assure l'épuration du gaz à traiter pendant que l'autre est régénéré par chauffage. Comme précédemment, le sens de circulation du gaz peut être inversé, et l'axe du tube 2 peut être disposé au moins à peu près horizontalement Dans ce dernier cas, les moyens de chauffage peuvent être disposés du même côté que la bague 8 et combinés à celle-ci Par exemple, le dégrivrage pourrait être obtenu en faisant circuler un fluide chaud dans le serpentin 9 En fait, on peut alors prévoir les moyens de chauffage en n'importe quel point du caloduc. L'appareil représenté à la figure 3 est destiné à récupérer sous forme liquide un solvant contenu en faible quantité dans un courant de gaz Sur cette figure 3, on utilise pour désigner les éléments correspondants à ceux des figures 1 et 2 les mêmes références, affectées du suffixe "A". L'appareil de la figure 3 est constitué essentiellement d'une enceinte en U 1 A, isolée thermiquement, d'un dispositif isotherme 8 A, servant à apporter les frigories nécessaires, et d'un dispositif 18 de récupération de ces frigories. L'enceinte 1 A comporte deux tronçons verticaux, dont un conduit d'entrée 19 relié à une conduite d'amenée 4 A, et un conduit de sortie 20 relié à une conduite d'évacuation 5 A Les conduites 19 et 20 comportent une paroi verticale commune 21. A sa partie inférieure, cette enceinte est pourvue, dans les conduits 19 et 20, d'une série de plaques verticales parallèles 22; une conduite de purge 6 A équipée d'une vanne part du point bas de l'enceinte 1 A. Entre l'extrémité inférieure des plaques 22 et un point situé au-dessus de ces dernières, l'isolation de la paroi extérieure du conduit d'entrée 19 est supprimée et, au-dessus des plaques 22, cette partie de paroi est traversée par plusieurs nappes de caloducs 2 A constitués chacun par un tube métallique à ailettes horizontal ou à peu près horizontal Ces tubes, tous parallèles, font saillie par leur condenseur 7 A à l'extérieur du conduit 19, dans une chambre 23 isolée thermiquement, accolée à ce conduit. La chambre 23, qui constitue le dispositif isotherme 8 A, contient, outre la partie en saillie des caloducs 2 A, un ventilateur 24 entraîné par un moteur 25, des déflecteurs 26 et une rampe 27 de pulvérisation d'azote liquide reliée à une conduite d'alimentation 1 OA. Cette dernière est munie d'une électrovanne l A commandée par une sonde 12 A qui mesure la température régnant dans la chambre 22 La paroi de cette chambre comporte un évent 28. Le dispositif 18 de récupération de frigories est constitué par une série de nappes de caloducs 29 disposées au-dessus des caloducs 2 A Ces caloducs 29 sont constitués par des tubes ailetés horizontaux analogues aux caloducs 2 A et traversant symétriquement la paroi centrale 21 de l'enceinte l A. En fonctionnement, la rampe 27 pulvérise dans la chambre 23 un débit d'azote liquide approprié pour y maintenir une température de consigne inférieure de quelques degrés à la température de piégeage du solvant Cet azote se vaporise dans la chambre 23, et l'azote gazeux ainsi engendré est mis en circulation forcée à travers les nappes de caloducs 2 A au moyen du ventilateur 24 et des déflecteurs 26, l'excès d'azote gazeux étant évacué par l'évent 28. Lorsque la température désirée est atteinte, on envoie le gaz à épurer dans la conduite 4 A et le conduit 19 Ce gaz, qui a été éventuellement pré-refroidi par un dispositif approprié non représenté, traverse les caloducs 29, puis les caloducs 2 A Ceux-ci le refroidissent à la température de piégeage, et le solvant se condense sur ces tubes et sur les plaques 22, qui jouent un rôle de séparateur de phases. Le gaz épuré remonte ensuite par le conduit 20 et traverse les caloducs 29, auxquels il cède une partie des frigories qu'il a prélevées aux caloducs 2 A Les caloducs 29 transfèrent ces frigories dans le conduit d'entrée 19, en assurant ainsi un pré-refroidissement efficace du gaz entrant. Les caloducs 2 A et 29 contiennent un fluide diphasique approprié pour la température de traitement considérée, par exemple du "Fréon R 22 " ou de l'éthylène comme précédemment Ils peuvent en outre contenir une structure capillaire favorisant le retour de la phase liquide vers l'évaporateur, éventuellement à l'encontre de la gravité, ainsi que le mouillage intérieur correct de l'évaporateur, comme ceci est bien connu dans la technique des caloducs Comme on le comprend, l'évaporateur des caloducs 29 est, comme celui des caloducs 2 A, la partie des tubes considérée qui est située dans le conduit d'entrée 19, tandis que la partie de ces tubes extérieure au conduit 19 constitue le condenseur des caloducs. Il est à noter que la puissance de transfert thermique d'un tel appareil peut facilement être adaptée aux besoins en réalisant les nappes de caloducs sous forme modulaire, comme on l'a représenté à la figure-3 pour les caloducs 29 Comme dans le cas des figures 1 et 2, on peut améliorer l'évacuation du condensat en disposant l'appareil "à plat", éventuellement avec une légère pente; dans ce cas, la figure 3 constituerait une vue de dessus, en coupe horizontale, de l'appareil. L'appareil représenté à la figure 4 est également destiné au piégeage sous forme liquide d'un solvant contenu dans un courant gazeux. Sa constitution générale est analogue à celle de l'appareil de la figure 1, avec les deux différences suivantes: d'une part, l'enceinte l B contient plusieurs caloducs 2 B parallèles les uns aux autres D'autre part, ces caloducs comportent comme source froide un dispositif isotherme commun 8 B qui remplace la bague de cuivre 8 de la figure 1. Le dispositif 8 B est un caloduc auxiliaire délimité par une chambre 30 isolée thermiquement qui est située au-dessus de la plaque 3 B qui délimite supérieurement l'enceinte l B à réfrigérer Cette chambre 30 contient un fluide diphasique approprié pour la température que l'on désire faire régner dans l'enceinte 1 B L'extrémité supérieure 7 B des caloducs 2 B est immergée dans le liquide, et un faisceau tubulaire 9 B muni d'ailettes transversales occupe la partie supérieure de la chambre , dans la phase vapeur Ce faisceau tubulaire est alimenté en azote liquide, comme a la figure 1, par une conduite 10 B munie d'une électrovanne 11 B, et l'échappement de l'azote gazeux s'effectue par une conduite 14 B La sonde 12 B de commande de l'électrovanne 11 B peut mesurer soit la température des caloducs 2 B dans l'enceinte 1 B, comme représenté, soit celle du caloduc auxiliaire 8 B Par ailleurs, les ailettes horizontales 13 B sont communes à tous les caloducs 2 83. En fonctionnement, la vaporisation d'azote liquide dans le faisceau tubulaire 9 B amène puis maintient le caloduc 8 B, et par suite les caloducs 2 B et leurs ailettes 13 B, à la température de consigne On fait circuler dans l'enceinte 1 B le gaz à épurer, de la conduite 4 B à la conduite 5 B, le long du trajet sinueux défini par les ailettes 13 B La chaleur apportée par le gaz entrant vaporise le liquide contenu dans les caloducs 2 B, et la vapeur ainsi formée se transfère dans la chambre 30, en vaporisant du liquide contenu dans cette chambre, autour des condenseurs 7 B des caloducs 2 B, co R"e représenté Simultanément, le liquide de la chambre 30 condense la vapeur dans les caloducs 2 B, et le liquide ainsi condensé redescend jusqu'au bas de ces derniers Le solvant se condense sur les ailettes 13 B et sur les caloducs 2 B, se rassemble au bas de l'enceinte 1 B et est évacué par la conduite de purge 6 B. En variante, dans chacun des cas ci-dessus, les tubes à ailettes transversales peuvent être remplacés par des tubes à ailettes longitudinales; dans les appareils des figures 1, 2 et 4, tout type approprié de chicanes peut être utilisé dans l'enceinte de traitement. On comprend que l'invention s'applique à l'épuration de nombreux fluides, liquides ou gazeux, et plus généralement à la réfrigération totale ou partielle d'une enceinte ou d'un corps à une température quelconque comprise entre la température ambiante et le point d'ébullition de l'azote, ou plus généralement entre la température ambiante et celle sous laquelle est délivré l'agent cryogénique utilisé (C 02, oxygène, hydrogène ou gaz rare liquéfié, etc). REVENDICATIONS 1 Appareil destiné à réfrigérer au moyen d'un agent cryogénique une région déterminée ( 1; 1 A; 1 B) à une température comprise entre la température ambiante et ia température dudit agent, caractérisé en ce qu'il comprend un caloduc ( 2; 2 A; 2 B) dont l'évaporateur est disposé dans ladite région et dont le condenseur ( 7; 7 A; 7 B) est en relation d'échange thermique avec un dispositif isotherme ( 8; 8 A; 8 B) maintenu à une température de consigne par un courant régulé d'azote liquide, ce caloduc contenant un fluide dont le domaine d'ébullition s'étend de part et d'autre de ladite température de consigne. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif isotherme ( 8) est une masse métallique, notamment une masse de cuivre, qui entoure le condenseur ( 7) du caloduc ( 2) et qui est elle-même équipée d'un conduit ( 9) parcouru par le courant d'azote liquide, l'appareil comprenant une sonde de température ( 12) qui commande une vanne ( 11) montée dans la conduite ( 10) d'alimentation de ce conduit. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif isotherme ( 8 A) est une chambre ( 23) qui entoure le condenseur ( 7 A) du caloduc ( 2 A) et qui comporte des moyens ( 24, 26) de circulation forcée d'un fluide gazeux dans lequel est pulvérisé le courant d'azote liquide, l'appareil comprenant une sonde de température ( 12 A) qui commande une vanne ( 11 A) montée dans la conduite ( 1 OA) d'amenée d'azote liquide. 4 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif isotherme ( 8 B) est constitué par un caloduc auxiliaire dont l'évaporateur entoure le condenseur ( 7 B) du caloduc principal ( 2 B) et dont le condenseur contient un serpentin ( 9 B) parcouru par le courant d'azote liquide. 5 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs caloducs ( 2 B) aboutissant à ladite région (l B), et un dispositif isotherme ( 8 B) commun à tous ces caloducs. 6 Piège frigorifique pour mélange de fluides, du type comprenant une enceinte ( 1; 1 A; 1 B) de circulation du mélange pourvue d'un appareil de réfrigération ( 2,8; 2 A,8 A; 2 B,8 B), caractérisé en ce que l'appareil de réfrigération est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7 Piège frigorifique suivant la revendication 6, dans lequel l'enceinte ( 1) a une forme allongée, caractérisé en ce que l'évaporateur du caloduc ( 2) est constitué par un tube qui s'étend sur toute la longueur de l'enceinte, à l'intérieur de celle-ci. 8 Piège frigorifique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le tube ( 2) est pourvu de moyens de chauffage ( 15). 9 Piège frigorifique suivant l'une des revendications 7 et 8, dans lequel l'enceinte ( 1; 1 B) comporte des chicanes, caractérisé en ce que les chicanes sont constituées par des ailettes ( 13; 13 B) solidaires dudit tube ( 2; 2 B).