Brevet FR2232747A1 — publié le 19750103

Ta présente invention concerne un échangeur de chaleur comportant un dispos-tis creux et rotatif dans lequel circule le fluide de chauffage et dont les parois mobiles sont en contact avec le produit à chauffer. Ge genre d'échangeur peut être utilisé comme évaporateur dans l'industrie alimentaire pour concentrer des fruits ou des légumes et réaliser par exemple des concentrés de tomateS des conserves de fraises, etc. Les évaporateurs destinés à chauffer des produits alimentaires comportent parfois des énroilements tubulaires rotatifs dans lesquels circule de la vapeur et dont le tube à section circulaire décrit normalement une spirale autour de l'axe de rotation de l'enroulement. La vapeur circule dans ce tube pendant que I enroulement tourne dans le produit à réchauffer -On a constaté à l'usage l'apparition, en arrière du tube en rotation, d'un phénomène de cavitation qui provoque dans le liquide à réchauffer la formation contre ce côté du tube d'une pellicule adhérente du liquide en question qui tend à se calciner en donnant un goret désagréable au produit fini. Sa demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 861 831 déposée le 29 septembre 1969 et cédée à la Demanderesse décrit ce phénomène et suggère d'y remédier soit en rendant la partie arrière du tube moins bonne conductrice de la chaleur, c 'est-à-dire en la restant d'une matière isolante, soit en formant une chambre à air à l'intérieur du tube et contre sa paroi arrière.Il est aussi suggéré de profiler le tube pour réduire les dimensions de la cavIté formée dans le liquide en arrière du tube, mais il est pratiquement difficile de réaliser un enroulement tubulaire hélicoïdal et rotatif, dont la partie arrière du tube pLisse 8tre modifiée pour mieux la profiler et/ou l'isoler thermiquement. La présente invention concerne un dispositif constitué d'un tube rectiligne, sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de l'enveloppe allongée dans laquelle passe le liquide à chauffer et qui effectue une révolution autour de cet axe L'arrière de la paroi de ce tube, c'est-#-dire celle qui est opposée à son sens de déplacement > est profilé et constitué de manière à diminuer la tendance à la calcination de la pellicule de liquide extérieurement en contact avec elle.Du fait que le tube est rectiligne, il est facile de donner à cette partie de sa paroi le profil adéquat et de la rev#tir d'une matière thermiquement isolante Les raccords tubulaires sur lesquels est monté le tube et qui lui font effectuer sa révolution sont de préférence incurvés en une spirale dont la concavité est située vers l'avant afin de permettre l'évacuation des produits de cundensation, là où ils s'accumulent, et ces raccords peuvent castre inclinés à la manière des pales d'hélice pour déplacer le long du tube rectiligne le liquide à réchauffer que contient l'enveloppe. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon 1t invention; la figure 2 est une coupe transversale à plus grande échelle selon la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale à plus grande échelle selon la ligne 3-3 de la figure 1 et montre la section d'un tube dans lequel circule le fluide de chauffage, dont l'arrière de la paroi est profilé et comporte intérieurement un revêtement isolant; les figures 4, 5 et 6, analogues à la figure 3, représentent d'autres formes du tube précité; la figure 7 est une élévation latérale d'une variante de l'élément de chauffage rotatif selon l'invention;; la figure 8 est une coupe transversale à plus grande échelle selon la ligne 8-8 de la figure 7; la figure 9 est une coupe longitudinale d'une variante de l'échangeur de chaleur selon l'invention; et la figure 10 est une coupe transversale à plus grande échelle selon la ligne 10-10 de la figure 9. L'échangeur de chaleur 10 représenté sur la figure 1 comporte un réservoir, une enveloppe ou un corps il dont les deux orifices d'entrée et de sortie portent respectivement les références 12 et 13. Le liquide à réchauffer entre par l'un et sort par l'autre. L'enveloppe est de préférence cylindrique et fermée à ses deux extrémités par deux plaques 14 et 15 au #ilieu desqu-elIes des manchons à coussinet i6 et 17 permettent le passage de bouts d'arbres creux et rotatifs 20 et 31. Ces deux bouts d'arbres 20 et 31 tournent autour de l'axe longitudinal 21 de l'enveloppe et sont reliés chacun par des tubes rayonnants ou rayons 22, 23, 24 et 28, 29, 30 à des conduits annulaires 25 et 27 communiquant tous deux avec une série de tubes rectilignes 26 parallèles à l'axe 21. Comme le montre la figure 1, la section transversale de chacun de ces rayons tubulaires-est ovale, et ils sont inclinés à la manière de pales d'hélice afin de déplacer le liquide que contient l'enveloppe#1i#Édans le sens de la flèche 32 lorsque-l-es bouts d' arbr es t ouru-ent. Comme le montre la figure 2, marbre 31 tourne sinistrorsum dans le sens indiqué par la flèche 33, et chaque tube 26, vu en section transversale, est profilé de manière à permettre l'écoulement du liquide autour de lui avec le minimum de turbulence, et par conséquent à éviter la formation d'un vide en arrière du tube en mouvement dans le liquide. Chacun des tubes rayonnants 28, 29 et 30 est incurvé en une spirale qui part tang'entiellement 'du conduit annulaire 27 vers l'arrière pour se raccorder sensiblement angle droit avec le bout d'arbre 31.Cette courbure permet au fluide de chauffage condensé qui s'accumule dans la partie basse du conduit 27 de suivre les rayons tubulaires jusqu'à l'arbre 31 et de sortir de l'échan-'- geur. On voit sur la figure 3 que l'arrière 35 de la paroi de chaque tube 26 est revêtu intérieurement d'une matière 34 isolante ou mauvaise conduetrice de la chaleur, par exemple'de "Teflon", de plomb ou de soudure. Il est aussi possible, comme le montre la variante de la figure 4, de revêtir extérieurement l'arrière 35a du tube 26a d'une matière isolante et non collante comme du "Teflon", ou encore comme dans la variante.repré- sentée sur la figure 5, dé réaliser entre l'arrière 35b du tube 26b et le conduit 36b dans lequel passe le fluide de chauffage une chambre à air 36a. La paroi arrière 35b du tube se trouve ainsi isolée du fluide de chauffage, et cela réduit la tendance a se calciner de la pellicule de liquide en contact avec elle. Dans la variante représentée sur la figure 6, le tube 26c présente en section droite une forme différente, c'est-à-dire sensiblement triangulaire, et il comporte une chambre à air 36c en arrière du conduit 36d dans lequel circule le fluide de chauffage. Cette forme de réalisation n"est- pas profilée et entrain donc normalement la formation d une cavité dans le liquide en arrière du tube, mais l'isolation assurée par la chambre à air est suffisante pour empêcher la pellicule de liquide adhérant à la paroi arrière du tube de se calciner. Le dispositif fonctionne de la manière suivante (voir figure 1): le fluide chaud, par exemple de la vapeur, entre par le bout d'arbre 20 en suivant la direction de la flèche 37, passe par les rayons tubulaires 22, 23 et 24 dans le conduit 25, suit les tubes 26, le conduit 27,' 'les rayons tubulaires28, 29 et 30, et sort de l'échangeur##ar le bout d'arbre 31. Le liquide à réchauffer entre par l'orifice 12 dans ltenveloppe il par laquelle il s'écoule pour sortir par ltorifice 13 dans le sens de la flèche 32 par suite de l'action exercée par les rayons tubulaires en rotation, un peu à la manière d'une hélice.La rotation des arbres 20 et 31 fait effectuer autourtde l'axe 21 une révolution aux tubes 26 qui transmettent leur chaleur au liquide circulant dans l'enveloppe. Le prorilage des tubes 26 et la matière isolante dont ils sont revêtus à l'arrière ré- duisent au minimum la tendance à la combustion de la pellicule de liquide qui adhère à leur paroi arrière. Comme les tubes 26 sont sensiblement parallèles à l'axe 21, leur paroi arrière se déplace en ligne droite, ce qui permet plus facilement de les profiler et de les isoler à la fabrication. Les figures 7 et 8 représentent une variante de l'in vention dans laquelle l'élément chauffant rotatif 40 comporte à ses deux extrémités des bouts d'arbres creux 41 et 49 d'où partent des rayons tubulaires 42, 43, 44 et 46,'47, 48 reliés à des tubes rectilignes 45 parallèles à l'axe de#rotation des bouts d'arbres précités. 'La figure 8 permet de voir que ces tubes 45 communiquent avec les rayons tubulaires à des distances radiales différentes de l'arbre 49. Les tubes 45 sont ainsi décalés radialernent dans le corps de l'échangeur; ce qui empêche la formation d'un vide circulaire dans le liquide à réchauffer par suite d'un espacement insuffisant entre les tubes. Les figures 9 et 10 représentent une autre variante de l'invention dans laquelle l'échangeur de chaleur 50 comporte une enveloppe 51 dont l'axe est vertical et les orifices d'entrée et de sortie portent respectivement les références 52 et 53. Le liquide à réchauffer est pompé de bas en haut entré ces deux orifices. Deux bouts d'arbres creux et rotatifs 55 et 65 tourillonnent respectivement dans des manchons à coussinet supérieur 56 et inférieur 66 et sont reliés chacun par quatre rayons tubulaires 57 ou 61, 62, 63 et 64 à des conduits annulaires 58 et 60 communiquant tous deux avec des tubes rectilignes 59 parallèles à l'axe de rotation commun des deux bouts d'arbres. L'ensemble tubulaire tourne dans le sens indiqué par la flèche 67 de la figure 10, et les rayons tubulaires 57, 61, 62, 63 et 6t, légèrement aplatis et inclinés vers l'arrière et vers le haut par rapport au sens de leur mouvement tendent en tournant à pousser le liquide vers le haut dans l'enveloppe 11. Le fluide de chauffage#suft en descendant l'ensemble tubulaire et ne pose donc pas de problème en ce qui concerne l'évacuation des produits de condensation. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur, caractérisé en ce que le fluide chaud circule dans un conduit constitué de deux bouts d'arbres creux qui tourillonnent chacun dans une des parois extrêmes d'une longue enveloppe dans laquelle passe le liquide à chauffer, tournent ensemble autour de l'axe longitudinal de cette enveloppe, et communiquent chacun, par un raccord tubu- laire divergeant ou rayonnant par rapport à cet axe, avec au moins tl me~tube rectiligne sensiblement parallèle audit axe et qui effectue autour de lui une révolution du fait de la rotation desdits arbres, la partie arrière de la paroi de ce tube, c'est-à-dire celle qui est située à 1 oppose de son sens de déplacement, étant profilée et constituée de manière à diminuer la tendance à la calcination de la pellicule liquide extérieurement en contact avec elle. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie arrière du tube rectiligne est profilée de manière à réduire au minimum la turbulence de l'écoulement du liquide autour dudit tube. 3 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie arrière du tube est isolée de manière à réduire sa conductibilité thermique à l'égard du fluide chauS- fant circulant dans ce tube. 4 --Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite partie arrière présente en section transversale une forme fuselée. 5 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits raccords tubulaires sont constitués chacun d'un conduit annulaire centré sur l'axe comsmun-de rotation des bouts d'arbres creux avec lesquels ils communiquent au moyen de plusieurs tubes rayonnants incurvés chacun en une spirale qui part tangentiellement du conduit annulaire correspondant à l'opposé du sens de rotation de ce dernier, afin de favoriser l'évacuation des produits de condensation du fluide chauffant par un desdits arbres creux. 6 - Echangewr selon la revendIcation 1, caractérisé en ce que les raccords tubulaires comportent chacunedes parties obliques par rapport à leur sens de rotation afin de provoquer le mouvement longitudinal du liquide dans l'enveloppe. 7 - Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes rayonnants sont orientés obliquement par rapport à leur sens de rotation afin de provoquer le déplacement longitudinal da liquide dans l'enveloppa. 8 - #changeur selon la revendication 5, caractérisé an ce que les conduits annulaires respectifs des raccords tubes laires sont.relies l'un à l'autre par un certain nombre de tubes rectilignes situés radialement à la m#me distance de l'axe longitudinal commun de rotation. 9 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les raccords tubulaires sont reliés l'un à l'autre par un certain nombre de tubes décales radialement par rapport à l'axe longitudinal commun de rotation afin d'assurer l'écoulement non turbulent du liquide autour de ces tubes. 10 - Echangeur selon la revendication 6, caractérisé an ce que ltaxe longitudinal commun de rotation des bouts d'arbres est vertical, le liquide à chauffer circulant de bas en haut dans ltenveloppe, tandis que le fluide de chauffage circule de haut an bas entre les deux arbres rotatifs en passant par les tubes ét raccords tubulaires.