Brevet FR2088422A1 — publié le 19720107

La présente invention a trait à un procédé d'amélioration de la transmission calorique dans des vides de 10-2 à 102 Torr entre des surfaces cédant de la chaleur et des surfaces absorbant de la chaleur, en faisant usage, en tant que milieu de transport calorifique, du gaz ou de la vapeur disponible, notamment dans les opérations de dessiccation sous vide. Les transmissions caloriques peuvent etre obtenues par rayonnement, conduction et convexion. Cependant, les transmissions caloriques ne sont utilisables industriellement, d'une façon générale, que lorsque de grandes quantités de chaleur par unité de temps peuvent être transmises dans des conditions économiques supportables. Dans le cas de la transmission calorique par rayonnement cette condition implique de grandes différences de température, dans le cas de la transmission par conduction elle suppose un contact intime, et dans le cas de la transmission par convexion elle requiert la présence, entre les surfaces échangeuses, d'un gaz ou d'une vapeur de transport approprié ayant une densité suffisamment forte, etc.Le plus souvent on ne peut séparer les uns des autres les trois types de transmission calorique; il peut cependant arriver, notamment dans certains processus physiques et/ou chimiques se déroulant dans le vide, que les trois types classiques de transfert calorique, pris séparément ou en combinaison, ne conduisent pas à des résultats satisfaisants, parce que les bases des condi- tions nécessaires à l'obtention de tels résultats font défaut. C'est la raison pour laquelle on recherche depuis assez longtemps des procédés susceptibles d'améliorer la transmission calorique dans le vide. Il serait souhaitable d'améliorer la transmission calorique lors du traitement thermique de matériau > : dans le vide. Presque toujours il est possible de communiquer aux matériau: de grande quantités de chaleur par unité de temps comme par exemple par chauffage par induction, rayonnement électronique, chauffage à l'arc électrique et rayon de plasma, tc Toutefois, dans de llom- breux cas il serait avantageux, lorsque le traitement est terminé d'évacuer cette chaleur également le- plus vite possible, par e:zem- ple lorsque les atériau:: doivent être refroidis avant que le vice ne soit cassé dans l'appareillage de traitement. titis c'est surtou dans les opérations de dessiccalion sous vide qu'une amélioration de la transmission caloridu-- est souhaitable. Four évaporer un kilogramme d'eau contenu dans le produit à désilydrater il faut une quantité de chaleur d'environ 600 Kcal. Dans le cas de la dessiccation cryogénique ou par sublimation cette quantité s'augmente de la chaleur de fusion et atteint environ 680 Kcal. Cette chaleur doit etre communiquée au produit dans un temps acceptable du point de vueéconanique. Les produits à déshydrater s'opposent pour plusieurs raisons à un apport rapide de chaleur I1 s'agit le plus souvent de produits sensibles à la température, tels que l'albumine, les tissus végétaux, etc. qi, par surcroît, au moins lorsque leur dessiccation progresse, sont de mauvais conducteurs thermiques. Afin d'évité des surchauffes superficielles, il n'est pas possible de faire usage de températures de rayonnement élevées. Aux différences de température admissibles la transmission calorique par rayonnement n'est toutefois pas sensible. Dans son livre intitulé "Sécheurs et procédés de séchage" publié en 1959, Kroll propose par exemple, aux pages 509 et 510, sous le chapitre "Séchage sous vide", de réaliser un brassage continu des vapeurs entre le produit traité et un corps chauffant, dans le but d'améliorer la transmission calorique. I1 stagit ici d'une convexion forcée. Cependant, à la page 498 de ce livre, roll apporte une limitation : il estime qu'une transmission calo rique par convexion forcée n'a de sens que si la pression ne descend pas au-dessous de 100 à 200 millibars, soit 75 à 150 Torr. Four brasser le fluiae gazeux à très basse pression présent dans le sécheur, il faut déplacer d'immenses volumes de gaz à des différences de pression extrêmement petites. De simples calculs thermiques montrent que lorsqu'un processus se déroule de façon satisfaisante à la pression atmosphérique normale, il faudrait que sous un vide de par exemple 1 Torr la pompe utilisée travaille avec une vitesse d'aspiration mille fois plus grande po assurer le brassage.Cela requiert, outre des tuyauteries de cour te longues et de grand diamètre, la mise en couvre de pompes à grande vitesse d'aspiration et par conséquent N grands masses d- placées ainsi qu'à mauvais rendement. Malgré cela, par suite ae 1% faible densité du gaz en convexion, il ne se produit pas de turbulence, et par conséquent la couche limitrophe qui entrave la transmission calorique aux surfaces d'échange thermique n'est pas détruite De plus, en de nombreu endroits, le produit traite ainsi que certaines parties du sécheur empêchent, en formant des "impasse de courant" la formation de vitesses d'écoulement élevées. Les recoins entravent en outre le passage de la vapeur, notamment dans le cas G 'un produit de fine granulométrie disposé en couches de quelques centimètres. Un secouage ou un brassage du produit ne constitue qu'un palliatif dont l'effet est limité. L'invention a donc pour but de supprimer les inconvénients d'une mauvaise transmission calorique inhérents aux procédés et appareils connus et de concevoir, notamment dans le domaine de la dessiccation sous vide, un procédé grâce auquel, par un déplacement forcé du gaz, de grandes quantités de chaleur soient transmises à une vitesse inconnue jusqu'à présent entre les surfaces d'échange thermique. La solution à ce problème apportée par l'invention consiste à imposer dU gaz, au moins dans le champ des surfaces d'échange thermique, un écoulement alternatif avec une amplitude dont l'ordre de grandeur correspond à la distance séparant les surfaces d'échange thermique. Ainsi, l'essence de l'invention réside dans le fait qu'à l'écoulement continu du fluide véhiculant la chaleur est substitué un écoulement alternatif de ce fluide.Avec un tel écoulement, les molécules gazeuses ou éléments volumiques prennent un mouvement oscillant auquel peut être superposé un écoulement continu, un effet qui se produit le plus souvent de toute façon par aspiration continue et éventuellement condensation de vapeur et/ ou de gaz de dessiccation. Par 'surfaces d'échange thermique;; il faut entendre les parties de l'appareil tells que les parois u récipient, les registres de refroidissement et de chauffage, les surfaces de conaensation, les clayons de dessiccation ainsi que les surfaces de la matière à traiter. L'amplitude des oscillations doit être suffisamment gran- de pour que les mazes éléments volumiques en oscillation touchent aussi bien la surface cédant de la chaleur que celle qui on abis^- be et assurent ainsi le transport thermique. L'amplitude correspw ainsi sensiblement à la distance, mesurée dans la direction des os cillations,(iuí sépare les surfaces d'échange thermique, clest-à- dire, dans 1 cas de sécheurs, par exemple à la distance entre clayons de dessiccation ou à la distance entre la matière et le condenseur ainsi qu'à la distance entre la matière et la source chaleur, de sorte que les particules gazeuses oscillants parcourent toute la hauteur de couche de la matière traitée. Le procédé selon l'invention apporte les avantages énumé res ci-après. Chaque molécule gazeuse participe, dans le champ des surfaces d'échange thermique, de façon ininterrompue à l'échange thermique direct suivant le chemin le plus court. Du fait des oscillations les couches limitrophes, dans la mesure où elles ont pu se former sur les surfaces échangeuses, sont continuellement détruites, les molécules gazeuses de ces couches se trouvant déplacées et incluses dans le mouvement oscillant. De ce fait, les phénoumènes de diffusion au sein de la matière traitée et le transport de vapeur entre les grains de celle-ci se trouvent favorisés. Il n'existe pratiquement plus ae recoins, c'est-à-dire d'impasses à l'écoulement. L'allure de l'écoulement présente des valeurs égales dans toute sa section.Malgré un vide poussé atteignant 10 2 Torr, une transmission calorique suffisante est assurée sans l'aide de pompes de brassage coûteuses. A une pression de 1 Torr, même les matières pulvérulentes légères (à titre d'exemple citons les graines de lycopode) ne sont pas entraînées. La différence de température requise entre les surfaces d'échange thermique, par exemple, dans le cas cl'une dessiccation, entre la surface chauffante et la matière à dessiquer, peut être maintenue faible pour une transmission calorique donnée, de sorte que même des produits très délicats peuvent subir une dessiccation parfaite.La matière à traiter peut l'être en couche de grande hauteur sans que cela nuise au bon résultat de l'opération. I1 s'ensuit quten utilisant le procédé selon l'invention on peut charger l'appareil plus souvent et plus fortement, d'oA une exploitation plus rentable. Dans des installations fonctionnant en continu le débit est naturellement accru Enfin, il n'est plus nécessaire de prévoir le brassage a gaz inerte supplémentaire qui, dans les installations classiques, était effectué dès le début du traitement; cette suppression conduit à une réduction sensible des dimensions de l'installation et des pompes et de la puissance de celles-ci.A cela s'ajoute encore l'avantage selon lequel les pertes par frottement d'une colonne gazeuse oscillant dans un tube ou autre récipient augmentent d'une manière étonnamment faible avec la vitesse. En ce qui concerne la mise en oeuvre pratiques du procédé selon l'invention, par exemple pour une dessiccation, il est posai ble d'opérer en utilisant au début de l'opération uniquement la vapeur libérée par la matière traitée pour constituer le fluide oscillant et véhiculant ia chaleur. Lorsque cette matière ne contient plus assez du liquide pour dégager suffisamment de vapeur pour maintenir Ure pression @@ travail à laguelle l'échange thermique se produit encore de façon sensible par l'écoulement alternatif, on peut introduire un gaz de Lestage. Il est cependant concevable de laisser s'achever l'échange thermique selon l'invention en même temps que la teneur en humidité de la matière traitée diminue, car la vitesse d'évaporation de l'humidité résiduelle, et avec elle les besoins en calories, décroissent de toute façon par suite de phénomènes de diffusion au sein de la matière, Un appareil avantageux de mis en oeuvre du procédé selon 1'invention, dans lequel les surfaces qui cèdent de la chaleur et celles qui en absorbent sont disposées dans un conduit d'écoulement faisant partie d un système d'écoulement fermé à la façon d'un circuit, est caractérisé par le fait que dans ce système d'écoulement refermé sur lui-même est disposée une paroi par laquelle la sec tion transversale du conduit d'écoulement qui l'entoure se trouve pratiquement remplie t qui1 dans la direction de ce conduit, est montée avec possibilité de déplacement, cette paroi pouvant recevoir d'un mécanisme d'entraînerent des oscillations dont l'amplitude est d'un ordre de grandeur correspondant au moins à la distance entre les surfaces d'échange thermique. Cet appareil présente l'avantage d'-une grande efficacité avec un minimum de masses en mouvement et de faibles puissances motrices. En ce qui concerne la paroi mobile et le conduit d'écoulement qui l'entoure, aucun précision de fabrication n'est nécessaire, car un ajustage étroit dans le but d'assurer une étanchéité est tout à fait superflu, comme on le verra plus loin n regard du grand volume oscillant les courants de fuite ne jouent aucun rôle. Même un jeu radial de quelques millNmètres entre la paroi le conduit n'a aucun effet défavorable sur I'efìcacit de fonc tionnement de l'appareil. Des exemples d'exécution ë l'appareil selon 11 invention sont décrits ci-après avec référence au dessein sur lequel - la figure 1 est une vue n coupe longitudinale d'un appareil ee mise en oeuvre du procécé selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale partiel- le d'un appareil selon la fig. 1 utilise pour la dessiccation sous vide, et - la figure 3 est une vue à plus grande échelle dssune partie de la fig.2, à savoir une coupe verticale au travers du récipient et d'un clayon de dessiccation chargé de matière à traiter. On a représenté à la fig.l un récipient 1 étanche au vide, constitué par un tronçon intermêdiair cylindrique 2 compris entre le couvercle 3 et le fond 4. Dans ce récipient est disposé et maintenu au moyen ae nervures radiales 5 un conduit d'écoulement 6 sous forme d'un cylindre creux. Dans la moitié Inférieure de ce conduit se trouve une paroi 7 qui, pour des raisons de poids et de rigidité, est constituée par deux cônes creux 8 et 9 assemblés l'un à l'autre par leur grande circonférence. Ces cônes creux sont réalisés en un matériau de faible densité tel que la tôle d'aluminium ou une matiere plastique, et ils sont fixés sur la tige de piston il au moyen des écrous 10.En direction radiale cette tige est guidée par un coussinet 12 qui prend appui, par l'intermédiaire de goussets la, sur le fond 4 du récipient 1. Ce fond comporte, pour permettre 1 mouvement longitudinal de la tige de piston 11 qui le traverse, une sorte de presse-étoupe 14 étanche au vide. A l'extrémité inférieure de la tige de piston 11 est articulée une bielle 15 qui coopère avec le maneton 15 d'un plateau de manivelle 17. Un moteur à commutation polaire 18 sert à entraîner le mécanisme à bile manivelle 11, 15, 16 et 17. Après mise en marche du moteur la paroi 7 décrit, en fonction de la vitesse de rotation du moteur et du diamètre du cercle décrit par le maneton 16, des oscillations verticales dans le conduit d'écoulement 6 qui est rendu étanche vis-à-vis de la paroi 7 par un soufflet 19 très élastique. Lorsque la paroi 7 s déplace vers le haut (flèche 20), le gaz situé au-dessus d'elle est refoulé vers le haut et s'écoule, après contournement de l'arête supérivure à conduit 6, en direction de la flèche 21 dans l'enceint annulaire 22 comprise entre le conduit 6 et le tronçon intermédiai re 2, puis de là en direction des flèches 23 vers 1 côté inférieur de la paroi 7. Lorsque cell-ci redescend, le processus se déroule dans le sens inverse de celui indiqué par les flèches. L'enceinte annulaire 22 communique, par l'interméciaire de ia tubulure d'aspiration 24 et évcntuellement d'un condenseur (non représenté), avec un groupc de pompage de vide également non repré-senté. I1 est important de souligner que le gaz contenu dans le récipient 1 accompagne pratiquement sans inertie, par suite de sa faible densité entre 10 et 102 Torr, les mouvements rapides de la paroi 7 dans l'ensemble des sections d'écoulement, et qu'en aucun endroit du récipient il ne se produit de phénomènes de compression et de décompression. Le volume gazeux se trouve déplacé pratiquement dans son ensemble en un mouvement de va-et-vient de fréquence élevée.En cela le procédé selon l'invention se distingue fon ciérement des phénomènes acoustiques dans des milieux gazeux. Au-dessus de la paroi oscillante 7 se trouvent un serpentin tubulaire 26 à spires rapprochées, refroidi à l'eau, et, audessus, une résistance de chauffage électrique 27. Ce serpentin et cette résistance traversent les parois du conduit d'écoulement 6 et du tronçon 2 au moyen de traversées 28 étanches au vide. Dans cette disposition la distance entre le serpentin 26 et la résistance 27 est égale ou inférieure à la course de la paroi 7. L'ensemble de l'appareil repose sur des appuis 25. Le fonctionnement de cet appareil est expliqué plus en détail ci-après. La fig. 2 représente, en position mi-ouverte, un sécheur sous vide dans lequel soit utilisées les parties essentielles de l'appareil selon la fig.l, lesquelles sont donc désignées par les mêmes repères. I1 existe cependant les différences suivantes Tout d'abord, comme on le voit, le soufflet 19 (fig.l) n'est plus prévu. Le jeu annulaire entre la paroi 7 et le conduit d'écoulement 6 est égal à 5mm. Afin de permettre l'alimentation du sécheur, le couvercle 3 est amovible. Pour son levage est prévu un mécanisme dont seuls les deux tirants 29 sont visibles. Au couvercle 3 est fixée une plaque chauffante verticale 30 qui s'étend presque sur tout le diamètre intérieur du conduit d'écoulement 6 dont la partie supérieure est ainsi divisée en deux conduits semicylindriques 31 et 32.Lorsque le couvercle est fermé, la plaque chauffante 30 se trouve avec son arrête inférieure très proche de la position de point mort haut de la paroi 7. Dans la plaque chauf fante 30 constituée en un matériau bon conducteur de la chaleur, par exemple en aluminium, se trouve un élément chauffant 33 qui peut être soit un tube parcouru par de l'eau, soit une résistance électrique. Les raccordements 34 de cet élément chauffant traversent le couvercle 3 de manière étanche au vide et sont reliés soit à une amenée et à une évacuation d'eau, soit à une source de courant électrique. La plaque chauffante 30 sert de support aux clayons de séchage 35 qui sont constitués en un matériau bon conducteur de la chaleur et qui prennent appui sur cette plaque de façon à assurer c une bonne condution thermique, c'est-à-dire par de grandes surfaces planes 39. La pression de contact est assurée par des boulons 36. Les clayons de séchage 35 sont constitués par des plateaux semicirculaires plans 37 horizontaux dans l'appareil, et par des rebords 38 (fig.3) perpendiculaires sur ces plateaux, ces derniers et leurs rebords ayant une forme telle qu'ils sont bons conducteurs de la chaleur en direction de l'extrémité 40 des plateaux la plus éloignée de la plaque 30. Cette bonne conduction est favorisée par des nervures 41. Les plateaux 37 sont munis de nombreux évidements 42 constituant entre eux des barreaux longitudinaux 43 et transversaux 44, cette disposition ayant elle aussi pour but de toujours permettre une bonne conduction thermique dans la section restants. Les évidements 42 servent à la traversée alterné du gaz et de la vapeur qui se trouve dans le sécheur. Les plateaux 37 présentent sur la face supérieure des mamelons 45 sur lesquels reposent les récipients 46 contenant la matière à traiter. Le fond 49 de chacun de ces récipients comporte lui aussi des perforations 47 afin de laisser passer le gaz. Les mamelons 45 ont pour fonction de prévenir que les perforations pratiquées dans le fond 49 du récipient ne soient masquées par des nervures des plateaux 37 ou inversement, afin que le gaz en oscillation puisse parvenir pratiquement librement en tous les points de la matière traitée. Par suite de la présence des mamelons 45, il ne se produit pratiquement pas de conduction thermique entre le plateau 37 et le récipient 46.Ceci n'est d'ailleurs pas nécessaire, car la transmission calorique du plateau 37 à la matière contenue dans le récipient 46 est assurée exclusivement par le courant alterné de gaz de dessiccation et, pour une faible partie, par le rayonnement entre les surfaces d'échange thermique. Il y a intérêt à ce que la distance entre plateaux 37 soit au moins égale à la course de la paroi 7, de façon que les molécules gazeuses qui suivent le déplacement de cette paroi oscil lent entre les plateaux dans la matière traitée et, ce faisant, lui cèdent la chaleur absorbée par les plateaux. Il serait cependant théoriquement suffisant de donner à la course de la paroi 7 une valeur égale à la distance entre la particule de matière la plus haute et la face inférieure du plateau situé en dessous. Exemple 1 Dans un appareil selon la fig.i, rempli d'air à la pression atmosphériqu, on porta la température de la résistance chauffante 27, par réglage de la tension d'alimentation, à une valeur moyenne de 500oc, ce qui provoqua-une convexion naturelle. La température fut calculée sans difficulté à partir des valeurs d'inten sité et de tension du courant, ainsi que de la conductibilité électrique du matériau constituant la résistance. La puissance de chauf fage était de 800 W. Le serpentin tubulaire 26 était parcouru par un courant d'eau à 160C. La distance entre la résistance de chauffage et ce serpentin était de 50 mm. En mettant en circuit une pompe à vide, on abaissa la pression dans l'appareil progressivement à 7,5 Torr.Au début de la mise sous vide il se produisit une élévation de température à la résistance chauffante, due à une réduction du refroidissement par suite de la moindre densité du gaz. On réduisit alors tout d'abord la puissance du chauffage et on mit en marche le moteur d'entraînement 8 de la paroi 7, à une vitesse de 1500 t/min. Etant donné la disposition du mécanisme à manivelle, la paroi 7 décrivit des oscillations à la fréquence de 25 Hz avec une amplitude de 25 mm. La température de la résistance de chauffage diminua alors encore. Lorsque la pression finale de 7,5 Torr fut atteinte, la puissance de chauffage put être relevée aux 800 W initiaux pour une température moyenne de 5000C de la résistance de chauffage.Ceci montre que la transmission calorique Gans une colonne gazeuse animée d'oscillations de fréquence et d'amplitude déterminées a la même valeur que dans le cas de la convexion naturelle à une pression cent fois supérieure. La durée dk l'essai fut si courte qu'il ne se produisit pas d'élévations Cc température notables aux parties de l'appareil voisines de la résistance u chauffage. Exemple 2 L'essai selon l'exemple 1 fut répété, mais la colonne gazeuse fut soumise à des oscillations à une fréque nce de 50 Hz. Avec la me pression finale la puissance de chauffa-g-- put, dans cet exemple, être élevée à 1600 '? sans qUt la température de la résistance de chauffage dépasse 500 C. ï en résulte qu'à une fré- quence double, et par conséquent à une vitesse moyenne du gaz double, une quantité calorifique double a pu etre évacuée. Exemple 3 L'essai selon l'exemple 1 fut répété, mais cette fois sans le soufflet 19 (fig.l) préalablement démonté. Malgré la fente annulaire de 5mm de largeur existant > , on ne put constater une moins bonne transmission calorique. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'amélioration de la transmission calorique dans des vides de 10-2 à 102 Torr entre des surfaces cédant de la chaleur et des surfaces absorbant de la chaleur, en faisant usage, en tant que milieu de transport calorique, du gaz et/ou de la vapeur disponibles, notamment dans les opérations de dessiccation sous vide, ce procédé étant reEmarquable en ce qu'il consiste à imposer au gaz, au moins dans le champ des surfaces c'échange thermique, un écoulement alternatif avec une amplitud' dont l'ordre de grandeur correspond à la distance séparant lts surfaces d'échange thermique. 2.- Appareil de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, dans lequel les surfaces qui cèdent de la chaleur ut celles qui en absorbent sont disposées dans un conduit d'écoulement faisant partir d'un système dtécoulcment fermé à la façon d'un circuit, cet appareil étant remarquable en ce que dans le système d'écoulement refermé sur lui-meme est disposée une paroi par laque la section transversale Cu conduit d'écoulement qui l'c-n- toure se trouve pratiquement remplie et qui, dans la direction de ce conduit, est montée avec possibilité de déplacent, cette paroi pouvant recevoir d'un mécanisme d'entraînement des oscillations dont l'amplitude est d'un ordre de grandeur correspondant à la distance entre les surfaces d'échange thermique. U.- Appareil selon la revendication 2, remarquable en ce que le système d'écoulement fermé est constitué par un récipient étanche au vide dans lequel Se trouve un conduit d'écoulement dont les dimensions sont un peu plus petites que celles Ou récipient, et en ce que le circuit est fermé par l'enceinte intermédiaire entre le conduit d'écoulement et le récipient.