EP0690660B1 - Dispositif et procédé de chauffage d'un liquide ionique en écoulement - Google Patents

Dispositif et procédé de chauffage d'un liquide ionique en écoulement Download PDF

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EP0690660B1
EP0690660B1 EP95401569A EP95401569A EP0690660B1 EP 0690660 B1 EP0690660 B1 EP 0690660B1 EP 95401569 A EP95401569 A EP 95401569A EP 95401569 A EP95401569 A EP 95401569A EP 0690660 B1 EP0690660 B1 EP 0690660B1
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electrodes
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electrode
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/60—Heating arrangements wherein the heating current flows through granular powdered or fluid material, e.g. for salt-bath furnace, electrolytic heating

Definitions

  • the present invention relates to a device for heating of a flowing ionic liquid comprising at least one elongated enclosure of liquid circulation, two identical electrodes arranged respectively at the entrance and at the exit of the enclosure and the means of generating a field electric between said electrodes arranged for heat the liquid by electrical conduction direct within said liquid.
  • Such electric conduction heating direct is also known as “ohmic” heating.
  • the invention also relates to a method of ohmic heating and / or sterilization of a flowing ionic liquid.
  • Food products are particularly heat-sensitive and their vitamin, taste and are directly affected by the duration of treatment.
  • the scrapers with a scraped surface better suited liquids with high viscosity require a long processing time.
  • the present invention aims to provide a responsive heating device and method better than previously known requirements of practice, especially in that it allows obtain very short heating times, the order of the second, in a simple and easy to implement.
  • the invention provides a device for heating a flowing ionic liquid comprising at least one enclosure made of elongated insulating material for circulation of the liquid, two identical electrodes disposed respectively at the inlet and at the outlet of the enclosure and means for generating an electric field between said electrodes arranged to heat the liquid by direct electrical conduction within said liquid, characterized in that the enclosure comprises a tubular central zone connected to an inlet convergent and to an outlet diverging, and in that the electrodes are openwork surface elements suitable for being traversed by the liquid and respectively fixed to said inlet converger and to said audit diverging outlet, perpendicular to the direction of flow.
  • the invention also provides a method of heating of an ionic liquid flowing in an enclosure between two electrodes whereby the liquid is passed through a converging box through a first electrode, then in a tubular part, then in a divergent box through a second electrode, the alternating voltage applied between the electrodes being between of the order of a few hundred volts, per example 400 Volts, and of the order of 5000 Volts.
  • Figure 1 shows a heater 1 of an ionic liquid 2 in flow.
  • the device comprises an enclosure 3 in insulating material, for example PTFE, circulation of the liquid and two electrodes 4 and 5 identical, in the form of a surface element, arranged respectively at entrance 6 and at exit 7 of the enclosure.
  • Means 8 for generating a voltage alternative between electrodes 4 and 5 included between a few hundred volts, for example 400 Volts, and 10,000 Volts, for example 5,000 Volts, are also planned.
  • Enclosure 3 has a central area tubular 9 whose cross-section is calculated as a function the flow rate of the liquid and the desired residence time, a converging cone 10 for entering the liquid and a divergent cone 11 for liquid outlet, symmetrical of the cone 10.
  • the internal diameter of the small base 12 of cones is equal to the internal diameter of the tube 9, the internal diameter of large bases 13 of cones being chosen according to the electrodes.
  • the cones 10 and 11 are identical, but their sizing can also be different to take into account in particular the conductivity electrical fluids which varies depending on the temperature.
  • Each cone has on the side of its large base an internal shoulder 14, on which are plated electrodes 4 and 5 respectively.
  • Each electrode is for example constituted by a metal disc with a diameter equal to that of the large base increased on both sides of a thickness corresponding to, or slightly less than, the width of the shoulder.
  • the disc consists of a material which depends on the product to be treated. It can be stainless steel, graphite, titanium or platinum alloy, etc.
  • the discs are drilled with holes 15, the number, diameter and distribution are function the flow rate and viscosity of the liquid to be heated.
  • the invention is not limited to electrodes formed by perforated plates, but concerns also other embodiments of elements openwork surfaces such as shaped electrodes of grid or constituted by case containing metallic particles.
  • the electrodes are connected to circuit 8 voltage generator, for example via a nut welded at their periphery, said nut receiving a threaded rod fitted with a sealing cable gland (not shown).
  • the device 1 also includes housings or cylindrical flanges 16 and 17, for connection with the fluid supply and discharge circuit (not shown). These housings serve as covers sealing at each end and allow the holding the electrodes in place by compressing them on the shoulders. Each case has a central connection port 18 inlet or fluid outlet 19.
  • Such a device makes it possible to obtain a time of very short heating thanks to its geometry. Indeed, the electrical resistance represented by the fluid contained in a 10 or 11 cone is much more weak than that of the fluid contained in the tube central 9.
  • the electrical power dissipated, and therefore the heating of the fluid therefore takes place almost all in the central tube, or in less than one second depending on the diameter chosen.
  • the inlet cone 10 can also serve as product preheating zone, while the cone output can be combined with a rapid cooling (not shown).
  • the end cones also allow to implant large diameter electrodes and therefore to decrease the current density on these, this which limits the electrochemical phenomena which have takes place at the metal product interface.
  • the table below gives the characteristic parameters of an apparatus of the type described with reference to FIG. 1 for a fluid whose characteristics correspond to table No. 2, the electrical operating parameters being given in table 3.
  • FIG. 2 shows a device 20 comprising three identical speakers 21, 22, 23, in parallel, hydraulic, for example of the type described above, whose electrodes are supplied with three-phase.
  • the electrode 26 of the enclosure 21 is in phase (1) (ph 1 on the drawing).
  • the electrode 28 of the enclosure 22 is in phase (2) (ph 2), the electrode 25 of enclosure 23 is in phase (3) (ph 3).
  • the electrodes 24, 27 and 29 placed at the outlet of the enclosures 21, 22, 23 are connected to ground and system neutral.
  • the viscous liquid to be sterilized at 160 ° C by example a dairy product, is supplied with pressure (for example under 4 bars) and introduced at 6 in the enclosure at a temperature of the order of 80 ° C., after preheating.

Landscapes

  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Food Preservation Except Freezing, Refrigeration, And Drying (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
  • Instantaneous Water Boilers, Portable Hot-Water Supply Apparatuses, And Control Of Portable Hot-Water Supply Apparatuses (AREA)

Description

La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'un liquide ionique en écoulement comportant au moins une enceinte allongée de circulation du liquide, deux électrodes identiques disposées respectivement à l'entrée et à la sortie de l'enceinte et des moyens de génération d'un champ électrique entre lesdites électrodes agencé pour chauffer le liquide par conduction électrique directe au sein dudit liquide.
Un tel chauffage par conduction électrique directe est également connu sous la dénomination de chauffage "ohmique".
L'invention concerne également un procédé de chauffage ohmique et/ou de stérilisation d'un liquide ionique en écoulement.
Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine de l'industrie agro-alimentaire, pour stériliser ou pasteuriser des liquides.
On sait que pour stériliser ou pasteuriser efficacement, il faut respecter certaines conditions de température pendant des temps déterminés.
Or les produits alimentaires sont particulièrement thermosensibles et leurs caractéristiques vitaminiques, gustatives et nutritionnelles sont directement affectées par la durée du traitement.
Afin de préserver au mieux les qualités organoleptiques des aliments, on recherche donc le chauffage des liquides, plus ou moins pâteux, à pasteuriser ou stériliser, pendant un temps aussi court que possible.
Les techniques connues de stérilisation ne permettent cependant pas des temps de chauffage très courts, notamment avec des produits visqueux.
En effet, avec un échangeur classique, une vitesse d'écoulement élevée s'accompagne de pertes de charges importantes qui deviennent rédhibitoires pour le procédé. De plus, dans le cas où les températures des parois directement au contact du liquide sont élevées, il y a un risque de dégradabilité notable du liquide thermosensible.
Les échangeurs à surface raclée, mieux adaptés aux liquides à forte viscosité imposent quant à eux un temps de traitement long.
Enfin, les systèmes à injection de vapeur engendrent une dilution, voire une pollution, du fluide à chauffer, ce qui est un inconvénient souvent majeur.
On connaít également un échangeur à chauffage ohmique permettant la stérilisation industrielle de produits alimentaires pouvant contenir des morceaux d'aliment entier. Celui-ci présente les avantages connus de ce type de chauffage, à savoir l'absence de paroi chaude et d'échange convectif, puisque l'énergie thermique est dissipée par passage d'un courant électrique alternatif, directement au sein du liquide.
Il permet ainsi un chauffage uniforme à coeur des produits traités.
Mais ici encore, un tel stérilisateur nécessite un séjour du produit dans une plage de hautes températures pendant un temps assez long (plusieurs minutes).
La présente invention vise à fournir un dispositif et un procédé de chauffage répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet d'obtenir des temps de chauffage très courts, de l'ordre de la seconde, et ce de façon simple et aisée à mettre en oeuvre.
Dans ce but l'invention propose un dispositif de chauffage d'un liquide ionique en écoulement comportant au moins une enceinte en matière isolante allongée de circulation du liquide, deux électrodes identiques disposées respectivement à l'entrée et à la sortie de l'enceinte et des moyens de génération d'un champ électrique entre lesdites électrodes agencé pour chauffer le liquide par conduction électrique directe au sein dudit liquide,
caractérisé en ce que
l'enceinte comprend une zone centrale tubulaire raccordée à un convergeant d'entrée et à un divergeant de sortie, et en ce que les électrodes sont des éléments surfaciques ajourés propres à être traversés par le liquide et respectivement fixées audit convergeant d'entrée et audit divergeant de sortie, perpendiculairement au sens de l'écoulement.
Dans des modes de réalisation avantageux, on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
  • les dimensions des éléments surfaciques correspondent respectivement aux sections internes du divergeant et du convergeant à l'emplacement de leur fixation sur ces derniers ;
  • les éléments surfaciques sont respectivement fixés aux extrémités externes par rapport à la zone centrale, du divergeant et du convergeant ;
  • la zone centrale tubulaire est cylindrique, et le convergeant d'entrée et le divergeant de sortie sont des portions de cônes identiques dont la section intérieure de la petite base est égale à la section intérieure du tube, et dont la section intérieure de la grande base correspond à la surface active des électrodes ;
  • les électrodes sont des plaques métalliques percées de trous de passage du liquide ;
  • le divergeant de sortie peut être associé à un système de refroidissement ;
  • le dispositif comporte deux boítiers de connexion avec le circuit d'alimentation et d'évacuation du liquide, respectivement disposés de part et d'autre de l'enceinte, à savoir un boítier d'alimentation du liquide de section correspondant à la plus grande section du convergeant auquel il est relié via la première électrode, et un boítier d'évacuation de section correspondant à la plus grande section du divergeant auquel ledit boítier d'évacuation est relié via la seconde électrode ;
  • la section de la zone centrale tubulaire est inférieure ou égale à de l'ordre de cinq fois la surface d'une électrode, par exemple inférieure ou égale à dix fois cette dernière ;
  • le dispositif peut comporter trois enceintes en parallèle, dont les électrodes sont couplées pour permettre une alimentation en triphasée.
L'invention propose également un procédé de chauffage d'un liquide ionique en écoulement dans une enceinte entre deux électrodes selon lequel, on fait passer le liquide dans une boíte convergeante au travers d'une première électrode, puis dans une partie tubulaire, puis dans une boíte divergente au travers d'une deuxième électrode, la tension alternative appliquée entre les électrodes étant comprise entre de l'ordre de quelques centaines de volts, par exemple 400 Volts, et de l'ordre de 5000 Volts.
Dans un mode de réalisation avantageux, on fait passer le liquide à réchauffer au travers de trois enceintes disposées en parallèle hydraulique et alimentées en triphasée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatif.
Elle se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels :
  • La figure 1 est une vue en coupe de l'enceinte du dispositif selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici.
  • La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention comportant trois enceintes du type de celle décrite en référence à la figure 1, alimentées en triphasée.
La figure 1 montre un dispositif 1 de chauffage d'un liquide ionique 2 en écoulement.
Le dispositif comporte une enceinte 3 en matière isolante, par exemple en PTFE, de circulation du liquide et deux électrodes 4 et 5 identiques, en forme d'élément surfacique, disposées respectivement à l'entrée 6 et à la sortie 7 de l'enceinte. Des moyens 8 de génération d'une tension alternative entre les électrodes 4 et 5 comprise entre quelques centaines de volts, par exemple 400 Volts, et 10 000 Volts, par exemple de 5000 Volts, sont par ailleurs prévus.
L'enceinte 3 comporte une zone centrale tubulaire 9 dont la section est calculée en fonction du débit du liquide et du temps de séjour souhaité, d'un cône convergeant 10 d'entrée du liquide et d'un cône divergeant 11 de sortie du liquide, symétrique du cône 10.
Le diamètre interne de la petite base 12 des cônes est égal au diamètre interne du tube 9, le diamètre interne des grandes bases 13 des cônes étant choisi en fonction des électrodes.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, les cônes 10 et 11 sont identiques, mais leurs dimensionnements peuvent également être différents pour tenir compte notamment de la conductivité électrique des fluides qui varie en fonction de la température.
Chaque cône comporte du côté de sa grande base un épaulement 14, interne, sur lequel sont respectivement plaquées les électrodes 4 et 5.
Chaque électrode est par exemple constituée par un disque métallique de diamètre égal à celui de la grande base augmenté de part et d'autre d'une épaisseur correspondant, ou un peu inférieure, à la largeur de l'épaulement. Le disque est constitué en un matériau qui est fonction du produit à traiter. Il peut être en acier inoxydable, en graphite, en alliage de titane ou de platine, etc.
Les disques sont percés de trous 15 dont le nombre, le diamètre et la répartition sont fonction du débit et de la viscosité du liquide à chauffer.
L'invention ne se limite pas à des électrodes constituées par des plaques percées, mais concerne également d'autres modes de réalisation d'éléments surfaciques ajourés tels que des électrodes en forme de grille ou constituées par des boítier contenant des particules métalliques.
Les électrodes sont raccordées au circuit 8 générateur de tension, par exemple via un écrou soudé à leur périphérie, ledit écrou recevant une tige filetée munie d'un presse-étoupe d'étanchéité (non représenté).
Le dispositif 1 comprend également des boítiers ou flasques cylindriques 16 et 17, de connexion avec le circuit d'alimentation et d'évacuation du fluide (non représenté). Ces boítiers servent de couvercles d'étanchéité à chaque extrémité et permettent le maintien des électrodes en place en les comprimant sur les épaulements. Chaque boítier comporte un orifice de raccordement central 18 d'entrée ou de sortie du fluide 19.
Un tel dispositif permet d'obtenir un temps de chauffage très court grâce à sa géométrie. En effet, la résistance électrique représentée par le fluide contenu dans un cône 10 ou 11 est beaucoup plus faible que celle du fluide contenu dans le tube central 9.
La puissance électrique dissipée, et donc l'échauffement du fluide, s'effectue donc en quasi totalité dans le tube central, soit en moins d'une seconde selon le diamètre choisi.
Le cône d'entrée 10 peut par aileurs servir de zone de préchauffage du produit, alors que le cône de sortie peut être associé à un dispositif de refroidissement rapide (non représenté).
Les cônes d'extrémité permettent également d'implanter des électrodes de grand diamètre et donc de diminuer la densité de courant sur celles ci, ce qui limite les phénomènes électrochimiques qui ont lieu à l'interface métal produit.
A titre d'exemple non limitatif, on donne ci-après dans le tableau n°1 les paramètres caractéristiques d'un appareil du type de celui décrit en référence à la figure 1 pour un fluide dont les caractéristiques correspondent au tableau n°2, les paramètres électriques de fonctionnement étant quant à eux donnés dans le tableau 3.
CARACTERISTIQUES DE L'APPAREIL
Ø du tube central 0,010 m
L du tube 0,100 m
volume tube 0,008 l
débit du fluide 0,100 m3/h
vitesse fluide tube central 0,35 m/s
temps de séjour tube 0,28 s
⊘ électrodes 0,100 m
distance électrode-tube 0,080 m
volume d'une boíte (l) 0,230 l
temps de séjour d'une boíte 8,28 s
CARACTERISTIQUES DU FLUIDE
masse volumique (kg/m3) 1100
chaleur massique (J/kg.K) 4000
température d'entrée (°C) 80
conductivité d'entrée (S/m) 0,411
température de sortie (°C) 165
conductivité de sortie (S/m) 0,764
PARAMETRES ELECTRIQUES
puissance 10,39 kw
tension 5147 v
intensité 2,02 A
densité de courant 26 mA/cm2
puissance boíte entrée 9,73 %
conductivité de sortie (S/m) 5,23 %
La figure 2 montre un dispositif 20 comprenant trois enceintes 21, 22, 23 identiques, en parallèle, hydrauliques, par exemple du type décrit ci-dessus, dont les électrodes sont alimentées en triphasée. L'électrode 26 de l'enceinte 21 est à la phase (1) (ph 1 sur le dessin). L'électrode 28 de l'enceinte 22 est à la phase (2) (ph 2), l'électrode 25 de l'enceinte 23 est à la phase (3) (ph 3). Les électrodes 24, 27 et 29 placées à la sortie des enceintes 21, 22, 23 sont raccordées à la masse et au neutre du système.
On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif selon l'invention en référence à la figure 1.
Le liquide visqueux à stériliser à 160°C, par exemple un produit laitier, est alimenté en pression (par exemple sous 4 bars) et introduit en 6 dans l'enceinte à une température de l'ordre de 80°C, après préchauffage.
Il passe de 80°C à une température de 90°C à l'entrée du tube 9, avec un temps de séjour qui est par exemple de l'ordre de 8 s dans le cône 10, puis sa température monte de 90°C à 160°C en un temps de séjour de 0,3 s dans le tube central 9, avant de sortir dans le divergeant 11 où sa température est stabilisée.
De l'ordre de 10% de la puissance totale a donc été dissipée dans le cône d'entrée. Par contre 85%, voire même dans certains cas plus de 95%, de la chaleur est dissipée dans le tube et moins de 5% dans le cône de sortie où un refroidissement complémentaire (non représenté) peut par exemple également être avantageusement prévu.

Claims (10)

  1. Dispositif (1,20) de chauffage d'un liquide ionique (2) en écoulement comportant au moins une enceinte en matière isolante (3,21,22,23) allongée de circulation du liquide, deux électrodes (4,5 ; 26,24,28,27 ; 25,29) identiques, disposées respectivement à l'entrée (6) et à la sortie (7) de l'enceinte et des moyens (8) de génération d'un champ électrique entre lesdites électrodes agencé pour chauffer le liquide par conduction électrique directe au sein dudit liquide,
    caractérisé en ce que
    l'enceinte (3,21,22,23) comprend une zone centrale tubulaire (9) raccordée à un convergeant d'entrée (10) et à un divergeant de sortie (11), et en ce que les électrodes (4,5) sont des éléments surfaciques ajourés propres à être traversés par le liquide et respectivement fixées audit convergeant d'entrée et audit divergeant de sortie perpendiculairement au sens de l'écoulement.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions des éléments surfaciques correspondent respectivement aux sections internes du divergeant et du convergeant à l'emplacement de leur fixation sur ces derniers.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone centrale tubulaire (9) est cylindrique, et en ce que le convergeant d'entrée (10) et le divergeant de sortie (11) sont des portions de cônes identiques dont la section intérieure de la petite base (12) est égale à la section intérieure du tube, et dont la section intérieure de la grande base (13) correspond à la surface des électrodes.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (4,5) sont des plaques métalliques percées de trous de passage du liquide.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le divergeant de sortie (11) est associé à un système de refroidissement.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux boítiers (16,17) de connexion avec le circuit d'alimentation et d'évacuation du liquide, respectivement disposés de part et d'autre de l'enceinte (1), à savoir un boítier (16) d'alimentation, de section correspondant à la plus grande section du convergeant auquel il est relié au travers de la première électrode (4), et un boítier (17) d'évacuation, de section correspondant à la plus grande section du divergeant auquel ledit boítier (17) d'évacuation est relié au travers de la seconde électrode (5).
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de la zone centrale tubulaire (9) est inférieure ou égale à de l'ordre de cinq fois la surface d'une électrode.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il comporte trois enceintes (21,22,23) en parallèle, dont les électrodes (24,25 ; 26,27 ; 28,29) sont couplées pour permettre une alimentation en triphasée.
  9. Procédé de chauffage d'un liquide ionique en écoulement dans une enceinte (3) entre deux électrodes (4, 5), caractérisé en ce que on fait passer le liquide dans une boíte convergeante (10) au travers d'une première électrode (4), puis dans une partie tubulaire (9), puis dans une boíte divergente (11) au travers d'une deuxième électrode (5), la tension alternative appliquée entre les électrodes (4,5) étant comprise entre de l'ordre de quelques centaines de volts, par exemple 400 V, et de l'ordre de 5000 Volts.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que on fait passer le liquide à réchauffer au travers de trois enceintes (21,22,23) disposées en parallèle et alimentées en triphasée.
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