EP0637723B1 - Dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux - Google Patents

Dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux Download PDF

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EP0637723B1
EP0637723B1 EP94401761A EP94401761A EP0637723B1 EP 0637723 B1 EP0637723 B1 EP 0637723B1 EP 94401761 A EP94401761 A EP 94401761A EP 94401761 A EP94401761 A EP 94401761A EP 0637723 B1 EP0637723 B1 EP 0637723B1
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Michel Gorse
Bernard Creton
Hervé Rivoalen
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/102—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance
    • F24H1/105—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance formed by the tube through which the fluid flows

Definitions

  • the invention relates to the heating of viscous food fluids circulating in an annular space heated by Joule effect. An application is planned for the sterilization of said food products.
  • thermorheological especially fluids called "non Newtonian”. Heating methods of such fluids generally use exchangers tubular, plate heat exchangers or injection of steam.
  • the profile thermal in steady state has a parabolic shape.
  • the viscous fluid has a temperature close to that of the wall and in the heart of flow, the temperature may be lower by several tens of degrees. This heterogeneity of temperature is incompatible with treatment quality thermal (like sterilizing a agro-food product).
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages by proposing an exchanger device for heating a viscous fluid in a pipeline, but of different design.
  • the heating means consist of energizing and in parallel the two pipes which are then electrically mounted in parallel, the holding means ensuring the passage of the electric current from the external pipe in the internal pipeline.
  • the holding means are fins fixed longitudinally between the two pipes.
  • the fins are used by three and are laid radially at 120 ° from each other.
  • these fins have an electrical resistance much lower than that of the internal pipeline.
  • connection piece perpendicular to the external surface of the external pipe.
  • external pipe is reinforced by a sleeve for support each connection piece and avoid local overheating of the external pipe.
  • the device according to the invention can be present in two different general forms.
  • a first consists of several sections of pipes connected in series, each section comprising an internal pipe, a external pipe and two connecting pieces electric.
  • the sections are connected to each other through elbows.
  • each section comprising an internal pipe and a external pipe; a connecting piece is placed at each end of the device.
  • a section of the device according to the invention mainly comprises an internal pipe 1 and an external pipe 2. These two pipes 1 and 2 are mounted concentric, i.e. they have the same positioning axis 6.
  • the internal pipe 1 defines an internal space 4 which will remain empty during use of the device.
  • the space ring 3 between the internal pipes 1 and external 2 is that in which the fluid circulates viscous to heat.
  • the horizontal arrows symbolize the passage of this fluid between the two walls of this annular space 3.
  • radial fins 5 are used arranged longitudinally between the two pipes.
  • it is a group of three fins 5 which is shown, each angularly arranged with respect to each other, at 120 ° around the longitudinal axis 6 of the section. They are welded to the inner wall 1 and to the outer wall 2.
  • the electrical connection of a section is made using at least one connecting piece electric 7 fixed to the external pipe 2.
  • a sleeve 8 fixed around, or replacing the pipe external 2, as shown in Figure 1.
  • the sleeve 8 has an internal diameter corresponding to the internal diameter of the external pipe 2.
  • the fins 5 provide also the passage of electric current from the external pipeline in internal pipeline 1. From this fact, the internal 1 and external 2 pipes are electrically connected in parallel. To get a good distribution of electric current in the section, the fins 5 must have a resistance much lower than those of the pipeline internal 1.
  • This device therefore has the advantage of show only a reduced temperature difference between the fluid close to the walls and the fluid located far from pipe walls. We also benefit from a reduction of the temperature difference between the walls internal 1 and external 2 and fluid lines, this reduction being linked to the decrease in heat flux density.
  • the device presents also some advantages, such as the absence of inertia in operation and precise control of the temperature difference between the walls and the fluid viscous. In addition, no electrical insulation is necessary in this device.
  • a first embodiment of the exchanger device is an assembly of several sections mounted in series. Each section has at its two ends 10A and 10B a connecting piece 7 to obtain the passage of current in the two pipes of the section 10.
  • Each second end 10B of a section is connected to one end 10A of a following section by means an elbow 11 which, for its part, is not traversed by the electric current.
  • the end 10B of the last section 10 N is not connected to an elbow, but constitutes the output of the device.
  • a second realization of the device according to the invention consists in mount different sections 10 in parallel. Each section is connected to a viscous fluid supply 12 by its first end 10A. Every second end 10B of sections 10 is connected to an outlet of fluid 13. Each section 10 is of course equipped of connecting pieces 7 so that the current electric can run through both pipes internal and external to heat the viscous fluid.

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Description

Domaine de l'invention
L'invention concerne le chauffage des fluides agro-alimentaires visqueux circulant dans un espace annulaire chauffé par effet Joule. Une application est prévue pour la stérilisation desdites produits agro-alimentaires.
Art antérieur et problème posé
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.
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.
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 plusieurs tubes concentriques voir, par exemple, FR-A-1 239 842, 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.
D'autre part, on connaít 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.
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
A cet effet, l'objet principal de l'invention est un dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux agro-alimentaire 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, le fluide devant circuler entre les deux canalisations interne et externe ; et
  • des moyens de chauffage électrique de ces deux canalisations.
Selon l'invention, les moyens de chauffage consistent à mettre sous tension électrique et en parallèle les deux canalisations qui sont alors montées électriquement en parallèle, les moyens de maintien assurant le passage du courant électrique de la canalisation externe dans la canalisation interne.
De préférence, les moyens de maintien sont des ailettes fixées longitudinalement entre les deux canalisations.
De préférence, les ailettes sont utilisées par trois et sont posées radialement à 120° les unes des autres.
Il est également préférable que ces ailettes aient une résistance électrique très inférieure à celle de la canalisation interne.
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.
Le dispositif selon l'invention peut se présenter sous deux formes générales différentes.
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.
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
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
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.
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.
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.
On peut ainsi construire des dispositifs échangeurs selon l'invention en utilisant plusieurs tronçons, tels que celui qui vient d'être décrit.
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.
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.
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.
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 10N n'est pas reliée à un coude, mais constitue la sortie du dispositif.
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.

Claims (8)

  1. Dispositif échangeur de chauffage d'un fluide agro-alimentaire 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), le fluide devant circuler 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), qui sont alors montées électriquement en parallèle, les moyens de maintien assurant le passage du courant électrique de la canalisation externe dans la canalisation interne.
  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).
EP94401761A 1993-08-03 1994-08-01 Dispositif échangeur pour le chauffage d'un fluide visqueux Expired - Lifetime EP0637723B1 (fr)

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