Dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux

Abstract

 Il est composé de plusieurs tronçons comprenant chacun une canalisation interne (1) et une canalisation externe (2). Ces canalisations sont parcourues en parallèle par un courant électrique au moyen de pièces de raccordement (7).
Le dispositif comprend plusieurs tronçons montés en parallèle ou en série.
Application au chauffage ou à la stérilisation de produits agro-alimentaires.

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention concerne le chauffage des fluides visqueux circulant dans un espace annulaire chauffé par effet Joule. Une application est prévue pour le chauffage et la stérilisation de certains produits agro-alimentaires.

Art antérieur et problème posé

[0002] Dans de nombreux procédés industriels, on est amené à chauffer des fluides divers. Nombreux sont mauvais conducteurs de la chaleur, très visqueux, thermosensibles et ont un comportement thermorhéologique complexe, en particulier les fluides dits "non newtoniens". Les méthodes de chauffage de tels fluides utilisent en général des échangeurs tubulaires, des échangeurs à plaques ou l'injection de vapeur.

[0003] Pour traiter de tels fluides visqueux, ces techniques ne donnent pas toujours entière satisfaction et posent souvent de nombreux problèmes. La technique consistant à utiliser un tube à passage direct de courant, c'est-à-dire un échangeur électrique permet d'éviter certains de ces inconvénients. En effet, il est possible de contrôler de manière très précise l'écart de température entre la paroi et le fluide. De plus, ce système n'a pratiquement pas d'inertie. Par contre, dans le cas des échangeurs tubulaires, le traitement des fluides de très forte viscosité crée d'importantes pertes de charges, qui nécessitent l'utilisation de tubes de grand diamètre pour limiter ces pertes de charges.

[0004] Or, comme ces fluides visqueux sont également souvent de très mauvais conducteurs de la chaleur, le transfert thermique entre la paroi chaude du tube et le fluide est très difficile. En effet, la chaleur est transmise au fluide proche de la paroi. Par contre, en raison de la faible conductivité thermique de tels fluides visqueux, cette chaleur est difficilement transmissible au centre de la section du tube. Ainsi, pour une section donnée, le profil thermique en régime établi a une allure parabolique. Près de la paroi, le fluide visqueux a une température voisine de celle de la paroi et au coeur de l'écoulement, la température peut être inférieure de plusieurs dizaines de degrés. Cette hétérogénéité de température est incompatible avec un traitement thermique de qualité (comme la stérilisation d'un produit agro-alimentaire). Pour réduire cet écart de température, certains fabricants d'échangeurs tubulaires ont réalisé des échangeurs thermiques composés de trois tubes concentriques, avec une circulation de fluide thermique de part et d'autre du fluide à chauffer. La mise en oeuvre de tels appareils reste complexe. De plus, ces appareils possèdent tous les inconvénients des échangeurs thermiques.

[0005] D'autre part, on connaît des dispositifs de chauffage d'air dans une canalisation annulaire. On peut se référer, à cet effet, au document de brevet international PCT/WO 88 06482.

[0006] Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux dans une canalisation, mais de conception différente.

Résumé de l'invention

[0007] A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux par passage dans un tronçon de canalisation annulaire, comprenant :

• une canalisation interne ;
• une canalisation externe entourant la canalisation interne ;
• des moyens de maintien de ces canalisations l'une par rapport à l'autre ; et
• des moyens de chauffage électrique de ces deux canalisations.

[0008] Selon l'invention, les moyens de chauffage consistent à mettre sous tension électrique et en parallèle les deux canalisations.

[0009] De préférence, les moyens de maintien sont des ailettes fixées longitudinalement entre les deux canalisations.

[0010] De préférence, les ailettes sont utilisées par trois et sont posées radialement à 120° les unes des autres.

[0011] Il est également préférable que ces ailettes aient une résistance électrique très inférieure à celle de la canalisation interne.

[0012] Dans une réalisation de l'invention, on utilise plusieurs tronçons comprenant chacun une canalisation interne et une canalisation externe et à chaque extrémité une pièce de raccordement électrique perpendiculaire à la surface externe de la canalisation externe. Dans ce cas, la canalisation externe est renforcée par un manchon pour supporter chaque pièce de raccordement et éviter une surchauffe locale de la canalisation externe.

[0013] Le dispositif selon l'invention peut se présenter sous deux formes générales différentes.

[0014] Une première est constituée de plusieurs tronçons de canalisations branchés en série, chaque tronçon comprenant une canalisation interne, une canalisation externe et deux pièces de raccordement électrique. Les tronçons sont reliés les uns aux autres par l'intermédiaire de coudes.

[0015] Dans une deuxième réalisation générale, plusieurs tronçons sont branchés en parallèle, chaque tronçon comprenant une canalisation interne et une canalisation externe ; une pièce de raccordement électrique est placée à chaque extrémité du dispositif.

Liste des figures

[0016] L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement :

• figure 1, en coupe, un tronçon du dispositif selon l'invention ;
• figure 2, un schéma relatif à une première réalisation de la structure générale du dispositif selon l'invention ; et
• figure 3, un schéma relatif à une deuxième réalisation de la structure générale du dispositif selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

[0017] En référence à la figure 1, un tronçon du dispositif selon l'invention comprend principalement une canalisation interne 1 et une canalisation externe 2. Ces deux canalisations 1 et 2 sont montées concentriques, c'est-à-dire qu'elles possèdent le même axe de positionnement 6. La canalisation interne 1 définit un espace interne 4 qui restera vide lors de l'utilisation du dispositif. Par contre, l'espace annulaire 3 compris entre les canalisations interne 1 et externe 2 est celui dans lequel circule le fluide visqueux à chauffer. Les flèches horizontales symbolisent le passage de ce fluide entre les deux parois de cet espace annulaire 3.

[0018] Il est bien entendu nécessaire de maintenir en position ces canalisations interne 1 et externe 2. En conséquence, on utilise des ailettes radiales 5 disposées longitudinalement entre les deux canalisations. Dans le tronçon de la figure 1, c'est un groupe de trois ailettes 5 qui est représenté, chacune disposée angulairement les unes par rapport aux autres, à 120° autour de l'axe longitudinal 6 du tronçon. Elles sont soudées à la paroi interne 1 et à la paroi externe 2.

[0019] La connexion électrique d'un tronçon se fait à l'aide d'au moins une pièce de raccordement électrique 7 fixée à la canalisation externe 2. Pour faciliter cette fixation, on utilise de préférence un manchon 8 fixé autour, ou remplaçant la canalisation externe 2, comme le montre la figure 1. Le manchon 8 a un diamètre interne correspondant au diamètre interne de la canalisation externe 2. Les ailettes 5 assurent également le passage du courant électrique de la canalisation externe dans la canalisation interne 1. De ce fait, les canalisations interne 1 et externe 2 sont montées électriquement en parallèle. Pour obtenir une bonne répartition du courant électrique dans le tronçon, les ailettes 5 doivent avoir une résistance électrique très inférieure à celles de canalisation interne 1.

[0020] On peut ainsi construire des dispositifs échangeurs selon l'invention en utilisant plusieurs tronçons, tels que celui qui vient d'être décrit.

[0021] A surface égale, on rappelle qu'une couronne possède une longueur de bords plus importante que celle d'un cercle. En conséquence, à section de canalisation égale, la canalisation annulaire, c'est-à-dire en couronne a beaucoup plus de surface de contact avec ces parois qu'une canalisation tubulaire cylindrique. Ceci a pour effet que le tronçon, tel que décrit précédemment, a une importante surface de contact avec ces parois et permet donc de transmettre une plus grande quantité de chaleur au fluide se déplaçant à l'intérieur de celle-ci, que la quantité de chaleur transmise par une simple canalisation tubulaire.

[0022] Ainsi donc, en faisant parcourir dans les deux canalisations 1 et 2 d'un tronçon, un courant électrique déterminé I, sous une tension électrique déterminée U, les deux canalisations 1 et 2 montées en parallèle s'échauffent par effet Joule. Elles transmettent par convexion cette chaleur au fluide visqueux à réchauffer parcourant l'espace annulaire 3. En ajustant ainsi les résistances électriques de ces deux canalisations interne 1 et externe 2, il est possible de faire traverser un flux thermique déterminé dans ces deux canalisations. Différentes combinaisons de température sont donc possibles entre les deux canalisations interne 1 et externe 2.

[0023] Ce dispositif présente donc l'avantage de ne présenter qu'un écart de température réduit entre le fluide proche des parois et le fluide situé loin des parois des canalisations. On bénéficie également d'une réduction de l'écart de température entre les parois des canalisations interne 1 et externe 2 et le fluide, cette réduction étant liée à la diminution de la densité de flux thermique. Le dispositif présente également certains avantages, tels que l'absence d'inertie en fonctionnement et un contrôle précis de l'écart de température entre les parois et le fluide visqueux. De plus, aucune isolation électrique n'est nécessaire dans ce dispositif.

[0024] En référence à la figure 2, une première réalisation du dispositif échangeur selon l'invention est un assemblage de plusieurs tronçons montés en série. Chaque tronçon possède à ses deux extrémités 10A et 10B une pièce de raccordement 7 pour obtenir le passage du courant dans les deux canalisations du tronçon 10. Chaque deuxième extrémité 10B d'un tronçon est reliée à une extrémité 10A d'un tronçon suivant au moyen d'un coude 11 qui, lui, n'est pas parcouru par le courant électrique. Bien entendu, l'extrémité 10B du dernier tronçon 10_N n'est pas reliée à un coude, mais constitue la sortie du dispositif.

[0025] En référence à la figure 3, une deuxième réalisation du dispositif selon l'invention consiste à monter différents tronçons 10 en parallèle. Chaque tronçon est relié à une alimentation en fluide visqueux 12 par sa première extrémité 10A. Chaque deuxième extrémité 10B des tronçons 10 est reliée à une sortie de fluide 13. Chaque tronçon 10 est bien entendu équipé de pièces de raccordement 7 pour que le courant électrique puisse parcourir les deux canalisations interne et externe pour effectuer le chauffage du fluide visqueux.

Revendications

1. Dispositif échangeur de chauffage d'un fluide visqueux par passage dans un tronçon de réalisation annulaire, comprenant :

- une canalisation interne (1) ;

- une canalisation externe (2) entourant la canalisation interne (1) ;

- des moyens de maintien entre les deux canalisations interne (1) et externe (2) ; et

- des moyens de chauffage électrique des deux canalisations interne (1) et externe (2), caractérisé en ce que les moyens de chauffage consistent à mettre sous tension électrique et en parallèle les deux canalisations interne (1) et externe (2).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de maintien sont des ailettes (5) fixées longitudinalement entre les deux canalisations interne (1) et externe (2).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (5) sont utilisées en groupe de trois, orientées angulairement à 120°.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes (5) ont une résistance électrique très inférieure à celle de la canalisation interne (1).

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons (10) composés chacun d'une canalisation interne (1) et externe (2) d'une pièce de raccordement électrique (7) placée à chaque extrémité (10A, 10B) de chaque tronçon perpendiculairement à la surface externe de la canalisation externe (2).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque pièce de raccordement (7), un manchon (8) pour supporter ces pièces de raccordement (7) et éviter une surchauffe locale de la canalisation externe (2).

7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons (10) montés en parallèle.

8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons (10) montés en série, chaque tronçon étant relié à un autre par un coude (11).

Dessins