Dispositif pour. empêcher le passage d'un fluide gazeux
par une ouverture latérale d'une- enceinte en rotation, dBstinée- à la vidange d'un liquide remplissant cette enceinte
La présente invention a pour-objet un dispositif pour empêcher le passage d'un fluide gazeux par une ouvert ture latérale d'une enceinte en rotation, destinée à la vidange d'un liquide remplissant cette enceinte, comprenant un canal dans lequel au moins une partie des parois qui le. délimitent est solidaire du bord de cette ouverture par une extrémité.
Ce dispositif peut être- utilisé toutes les fois qu'il s'agit d'évacuer un liquide que contient une enceinte en rotation, dans laquelle règne- une pression déterminée, dans un milieu à pression très différente.
Le dispositif. selon. l'invention se caractérise à cet effet par lofait que le canal présente un profil tel quedu canal, alors que le fond dudit U est disposé du côté prend naissance. à l'extrémité du canal solidaire de l'enceinte.et l'autre-aboutit à la seconde extrémité, de sortie, du canal, alors que le fond dudit U est disposé du côté opposé. à l'axe-de. rotation de l'enceinte par- rapport auxdites extrémités du canal, afin que, lorsque l'enceinte contient du liquide et tourne, il se. forme dans ce canal deux- colonnes antagonistes de ce liquide, qui est alors ob.turé- par le tampon liquide ainsi créé;
et afin que ces colonnes soient mises en mouvement, dans le sens correspondant à la vidange de l'enceinte, Isque l'équilibre est rompu. par apport de liquide à évacuer à la branche du canal solidaire de l'enceinte.
Sa simplicité en permet l'utilisation générale dans tous les cas d'enceintes tournantes, cuves, cloches ou éléments de conduits dont il convient soit d'évacuer le contenuj soit d'assurera l'étanchéité par rapport à un autre élément fixe, par exemple, en remplacement d'un presse-étoupe ou d'un joint rotatif traditionnel, notamment lorsque'les: pressions à-l'intérieur et à l'extérieur de ces enceintes sont différentes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple et très schématiquement, deux formes de réalisation et une variante du dispositif objet de la présente invention:
la fig. 1 est une coupe verticale de la première. forme d'exécution;
la fig. 2 est une vue en coupe selon II-II de la fig. 1;
les fig. 3 et 4 sont des vues similaires à celle de la fig. 1, illustrant le fonctionnement du dispositif:sous des conditions différentes-;
la fig. 5 est une coupe méridienne de la seconde forme d'exécution, et
la fiv. 6 une vue similaire de la variante.
Le dispositif représenté aux fig. 1 et 2 est adapté à un- récipient 1 entraîné en rotation autour d'un axe 2.
Un tel récipient peut par exemple constituer une enceinte d'évaporateur tel que décrit dâns le brevet suisse
No 507723 (demande No 9474/67) ou une enceinte de condenseur tel que décrit dans le brevet suisse NÔ 501198 dans lesquels le liquide traité est soumis à centrifugation, ou même une enceinte de toute autre nature, à axe vertical ou horizontal, dont on désire évacuer en permanence le liquide qu'elle contient sans pour autant que le fluide gazeux entourant l'enceinte puisse pénétrer en son inté- rieur, lorsque l'écoulement de liquide cesse, ou que le fluide gazeux que contient cette- enceinte puisse en sortir.
Le dispositif est constitué par un tube 3 fixé au pied de la jupe latérale de l'enceinte 1, dans un plan diamétral passant par l'axe 2, et présentant une forme en U à branches inégales. Le tube est solidaire de l'enceinte 1 par sa branche - la plus longue 3a alors que son- autre branche 3b s'étend pratiquement sous le niveau du fond la de cette enceinte.
La différence de longueur des deux branches 3a et 3b est uniquement dictée-par les conditions de pression régnant à l'extérieur (pression pi) et à l'intérieur (pression p) de- l'enceinte 1, par-la vitesse de rotation de l'enceinte et par le poids spécifique du liquide dont le dispositif doit permettre l'évacuation.
Pour une-vitesse de rotation n et une densité du liquide à évacuer constantes, le dispositif ..fflustré fana- tionne comme suit: a. Les pressions Pi et P2 sont égales
Dans ces conditions, le liquide centrifugé dans l'enceinte 1 formant une couche 4 sur sa paroi latérale passe sous l'action de la force centrifuge dans le conduit 3 dont il remplit peu à peu les deux branches jusqu'à arriver dans chacune d'elles au niveau de l'ouverture de la branche 3b. Si dès cet instant l'enceinte 1 est vidée de liquide, le tampon liquide 5 ainsi formé reste dans le conduit 3 et l'obture.
Si au contraire, L'enceinte 1 n'est pas encore vidée lorsque le tampon est formé, le liquide formant ce tampon s'écoule dans le conduit 3 en direction F, dès que sur ce tampon s'est formée une épaisseur supplémentaire dy de liquide telle que la force centrifuge dont est l'objet sa masse soit suffisante pour vaincre les efforts résistants dont peut être l'objet le tampon 5, dus à la viscosité notamment.
Bien entendu l'écoulement au travers du conduit 3 cessera dès que l'apport de liquide à ce conduit cessera.
b. La pression P2 est supérieure à la pression Pi
Ce cas est illustré schématiquement en fig. 3. La pression dans l'enceinte 1, Ps, étant supérieure à la pression Pi extérieure à l'enceinte, le tampon liquide 5' se formera dans les conditions suivantes: la longueur radiale de liquide dans la branche 3b sera supérieure à cette meme longueur dans sa branche 3a d'une quantité ah telle que la force centrifuge agissant sur la masse de liquide contenue dans la partie de la branche 3b, de longueur t h, compensera la différence des pressions P2-Pi
Comme auparavant, le tampon liquide 5' formé dans le tube 3 demeurera immobile dans ce tube tant qu'il n'y aura pas de nouvel apport de liquide à ce tube,
alors qu'il y aura écoulement dès que l'équilibre, entre les pressions Pi et p2 et l'action de la force centrifuge sur le tampon 5', sera rompu par l'arrivée de liquide de l'enceinte 1 dans le tube 3.
La pression p2 pourra être supérieure à la pression Pi au maximum d'une valeur correspondant à la force centrifuge exercée sur une masse de liquide de longueur ss h dans la branche 3b. En effet, si la pression P2 devient supérieure à cette valeur, le liquide est repoussé dans la branche 3a du tube jusqu'au fond de ce tube, de sorte que le fluide gazeux contenu dans l'enceinte 1 peut passer librement dans la branche 3b du tube et de là dans le milieu à pression Pi entourant cette enceinte.
c. La pression P2 est inférieure à la pression Pi
Dans ce cas, c'est la longueur radiale de la colonne liquide dans la branche 3a qui devra être supérieure de t h' à la hauteur de liquide dans la branche 3b puisque P2-Pi < 0.
Ces considérations acquièrent toute leur importance lorsque la densité du liquide est particulièrement faible et la vitesse de rotation de l'enceinte réduite, et que par ailleurs la différence de pressions entre P2 et Pi peut atteindre une valeur relativement importante.
C'est d'ailleurs seulement dans une telle éventualité qu'il s'avère intéressant de prévoir les branches du conduit de longueur assez différente l'une de l'autre.
Bien entendu, il est possible de créer un dispositif dont la branche 3b serait plus longue que la branche 3a ou inversement, par exemple lorsque p2 < p1, respectivement p > p1 et que n ainsi que la densité du liquide sont relativement faibles.
En outre, et bien qu'il n'ait été fait mention que de dispositifs dont les branches sont contenues dans un plan méridien, c'est-à-dire passant par l'axe de rotation de l'enceinte, il est évident qu'il serait possible de placer ces dispositifs de façon différente, par exemple dans un plan perpendiculaire audit axe pour autant toutefois que la distance séparant le fond du U de l'axe de rotation de l'enceinte soit toujours supérieure à celle comprise entre ce même axe et les ouvertures d'entrée et de sortie du conduit 3.
On signalera encore que l'axe de rotation de l'enceinte pourra être disposé indifféremment verticalement, horizontalement ou selon une inclinaison quelconque sans pour cela mettre en cause le bon fonctionnement du dispositif décrit.
Le dispositif décrit peut également être exécuté de manière à former un canal annulaire en U s'étendant tout autour de l'enceinte dont il doit assurer l'évacuation en fluide, comme représenté aux fig. 5 et 6.
Dans la seconde forme d'exécution selon la fig. 5, ce dispositif est associé à l'enveloppe tronconique 10 d'un appareil condenseur relié, par un conduit 11 faisant saillie sur son fond 12, à un évaporateur 13 partiellement représenté, à enveloppe extérieure rotative, comme par exemple dans le cas de l'évaporateur décrit dans le brevet No 507723.
Les moyens moteurs pour l'entraînement en rotation autour de l'axe 14 de l'évaporateur 13 et du condenseur 10-12 n'ont pas été représentés mais ils peuvent être de toute nature.
A l'intérieur de l'enveloppe 10 fait saillie un conduit vertical 15 dont la paroi est percée par une série d'ouvertures 16 pour la distribution d'un liquide réfrigérant amené au conduit 15 grâce à une tubulure 17 et à un joint rotatif 18.
Les produits à condenser montent donc sous forme gazeuse de l'évaporateur 13 dans le condenseur au travers du conduit 1 1 et sont refroidis par le liquide réfrigérant projeté par les ouvertures 10 du tube 15. La partie condensable de ces produits est donc happée au passage par le liquide réfrigérant et projetée avec ce liquide sur la paroi interne de l'enceinte tournante 10. I1 se forme donc sur cette enceinte un film liquide tendant à s'écouler, de haut en bas au dessin, vers la partie la plus évasée de l'enceinte 10, à cause de l'action de la pesanteur, d'une part, et, d'autre part et principalement, sous l'action de la force centrifuge à laquelle est soumis le film liquide et, en particulier, de la composante de cette force d'inclinaison correspondant à celle de la paroi latérale de l'enceinte 10.
Pour assurer l'évacuation de ce liquide, la paroi 10 délimite avec le fond 12 une ouverture sans fin 19 le long du bord supérieur 19' de laquelle est fixée une pièce annulaire 20, dont la section droite présente la forme générale d'un U à branches inégales enveloppant une plate-forme annulaire 12' s'étendant dans le prolongement du fond 12, autour de celui-ci. La pièce 20 est reliée au fond 12 et à la plate-forme 12' par douze ailettes 21 dont seules sept d'entre elles sont visibles au dessin. La pièce 20 et la plate-forme 12 délimitent donc entre elles un canal annulaire présentant en coupe méridienne une forme en U dont l'ouverture de sortie, 22, débouche dans une bâche fixe 23 de récupération du condensat sortant de cette ouverture.
Le fonctionnement de ce dispositif est identique à celui du dispositif décrit précédemment: la différence de longueur entre les deux branches du canal en U est évidemment due au fait que, compte tenu du fait que le dispositif est appliqué à un condenseur, sa branche supé rieure est soumise à une pression statique très inférieure à la pression atmosphérique. On sait en effet que, dans une installation comprenant un évaporateur et un condenseur, la pression interne doit être la plus basse possible de manière à abaisser au maximum la température d'ébullition du liquide dont on doit assurer la concentration par évaporation de ses parties les plus volatiles.
Pour des applications du dispositif autres que celle décrite et représentée dans le cadre d'un condenseur, la longueur des deux branches du canal annulaire en U pourra être identique de branche en branche, lorsque les pressions des milieux dans lesquels ces branches débouchent sont les mêmes. On pourra aussi avoir le cas où la branche inférieure de ce canal aura une longueur supérieure à celle de la branche supérieure, en particulier lorsque le milieu dans l'enceinte 10 sera à une pression supérieure à celle du milieu d'évacuation de la solution condensée. Ici également, le dispositif pourra s'étendre sensiblement aussi bien dans un plan horizontal que dans un plan vertical ou dans un plan d'inclinaison intermédiaire quelconque.
De même sa position ne doit-elle pas nécessairement être celle représentée, au bas de l'enceinte dont il doit assurer l'évacuation de liquide: ce dispositif pourrait en effet également se trouver à mihauteur de l'enceinte ou au haut de celle-ci.
Comme représenté en fig. 6, le dispositif peut également être utilisé dans le cas où l'enceinte rotative, dont il doit assurer et l'étanchéité et l'évacuation du liquide qu'elle peut contenir, doit tourner sur une embase fixe, par exemple dans le cas d'un condenseur associé à un évaporateur statique.
L'enceinte de condensation 10' de l'appareil est entraînée en rotation par un axe 100 qui lui est solidaire, tournant dans des paliers 101 et 102 et présentant une poulie 103 dans la gorge de laquelle est insérée une courroie 104 commandée par un moteur électrique 105 dont l'axe porte une poulie motrice 106 de commande de la courroie 104.
L'enveloppe 10' du condenseur, de forme tronconique, présente le long de son bord inférieur une pièce annulaire 20' correspondant à la pièce 20 de la forme d'exécution de la fig. 5 et délimitant avec une base 107, annulaire et horizontale, un canal annulaire en U, 108.
La base 107 est fixe et est fixée au haut d'un segment de conduit 109 grâce auquel les vapeurs à condenser sont amenées de l'évaporateur 110 dans le condenseur.
Une bâche de récupération 111 entoure le dispositif décrit, en particulier son ouverture annulaire 112 de distribution du mélange liquide de réfrigérant et de produit condensé.
La condensation est réalisée dans le condenseur également par une aspersion constante des produits gazeux, remontant de l'évaporateur 110 dans l'enveloppe 10', grâce à un liquide réfrigérant distribué dans cette enveloppe par des ouvertures 113 pratiquées dans la paroi d'un conduit 114 relié à une source de ce réfrigérant non représentée, et pénétrant horizontalement dans le segment du conduit 109 solidaire de l'embase 107 pour remonter ensuite dans ce conduit et entrer dans l'enceinte 10'.
Le liquide s'écoulant sur la face interne de cette enceinte est évacué au fur et à mesure par le dispositif décrit, formé de la pièce annulaire 20 délimitant, avec la base 107, le canal 108 d'évacuation.
Au fur et à mesure qu'il s'écoule sur la face interne de l'enceinte 10', le liquide, formé du liquide réfrigérant projeté par les ouvertures 113 du conduit 114 et du produit condensé, pénètre dans le canal annulaire 108 sous l'action de la force centrifuge et vient s'accumuler d'abord dans le fond de la partie coudée de ce canal, pour remonter dans chacune de ses branches sur une longueur inversement proportionnelle à la pression statique du milieu dans lequel s'ouvre l'extrémité libre de chaque branche. Dans le cas d'un condenseur du genre représenté, dans lequel la pression interne doit être maintenue aussi basse que possible, la longueur de la branche supérieure au dessin devra être supérieure à celle de la branche inférieure, qui débouche pratiquement à l'air libre, donc à une pression supérieure.
Cette variante d'exécution du dispositif peut, bien entendu, aussi être montée sur une enceinte à axe de rotation occupant une position horizontale ou inclinée.
Pour que le tampon liquide formé dans le canal délimité par la pièce annulaire 20 et le flasque 107 demeure continu et homogène et pour assurer une évacuation rapide du liquide, la pièce 20 porte, à cet effet, douze ailettes 115, ne touchant pas la base 107 dont elles sont distantes de quelques millimètres à peine.
Ces ailettes pourraient en variante présenter un profil différent, choisi par exemple de façon à donner au liquide à évacuer une accélération circulaire, de manière à lui faciliter le passage dans la bâche 111.