Brevet FR2269874A1 — publié le 19751205

Argument s L2 invention concerne un dispositif de traitement thermique de liquides alimentaires fermentescibles permettant d'agir sur la fermentation soit en ltaccélérant, soit an la stabilisant (pasteurisation, stérilisation). Il comporte essentiellement un circuit de fluide caloporteur avec recyclage, et un circuit de liquide alimentaire avec recyclage et des moyens de lavage, chacun deux incorporant au moins une pompe, une vanne de commutation et une vanne régu- latrice de débit commandée par un thermostat préréglé. Ces circuits sont en contact dans au moins un échangeur à passages multiples de tubes droits en série de liquide alimentaire entou rés annulairement par des tubes en parallèle de fluide calopor- teur, baignant eux-mêmes dans le fluide caloporteur. Ce dispositif et l'échangeur nouveau qu'il comporte trouvent leurs applications dans le traitement des liquides alimentaires alcoolisés ou non (vin, cidre, bière, jus de fruits, de légumes et de viande, sauces, lait, etc.), notamment avant leur conditionnement pour la distribution. Art antérieur La plupart des produits alimentaires sont fermentescibles , pour s'affranchir du cotit et des sujétions de leur conservation dans une chaîne de froid ramifiée jusqu'au consommateur, on a mis tout d'abord au point des traitements de sta bilisation, pour la durée du déroulement de la distribution, sur des unités déjà conditionnées telles que boîtes, bouteilles. Ce procédé, encore largement utilisé pour les produits solides, tend à être remplacé, pour les liquides, par un traitement avant conditionnement afin de profiter des avantages de leur écoulement continu. Dans ce ces on se heurte à deux difficultés principales ; éviter les surchauffes locales, encore plus nuisibles au liquide alimentaire qu'à l'appareillage utilisé, et parer à llencrassement intérieur des conduits canalisant le liquide, comme lsentartrage s'il s'agit de vin. Une-technique ancienne proposait des serpentins de liquide alimentaire pouvant être chauffés à la vapeur ou même directement à l'électricité ou au gaz, d'où résultait un encrassement résistant au lavage et très difficile à éliminer, à cause du peu d'accessibilité du serpentin, par frottement abrasif.D'autres techniques proposent une vaporisation partielle, suivie de condensation, du liquide alimentaire et ne sont pas satisfaisantes pour maintenir ses qualités organoleptiques, de même que celles qui lui mélangent, ne fQt- ce que temparairement, des fluides étrangers. Une technique récente propose un échangeur de chaleur à contre-courant et en série à la fois pour le liquide alimentaire et le fluide de chauffage, mais où l'encrassement est encore prononcé, parce que le débit de liquide alimentaire est relativement faible et de plus intermittent, commandé de l'aval par le niveau d'une cuve, et qu'ainsi le liquide alimentaire stagne par périodes dans une zone cfiauffée. L'encrassement réduit le coefficient d'échange de chaleur de l'échangeur et souille l'un par l'autre les lots successifs de liquides divers traités dans l'appareil. Exposé général L'objectif de la présente invention est de fournir, en premier lieu, un dispositif de traitement thermique de liquides alimentaires fermentescibles en vue d'accélérer ou de stabiliser la fermentation, qui réduise considérablement l'encrassement grâce à une vitesse élevée de circulation des fluides constamment réalisée, tout en comportant des moyens efficaces de lavage d'un circuit de liquide alimentaire. En second lieu, l'invention propose un échangeur de chaleur particulièrement adapté au dispositif ci-dessus, qui élimine les surchauffes locales et les contraintes résultant des dilatations, et permet en outre un nettoyage intérieur des conduits de liquide alimentaire très rapide et facile. Un nombre variable d'échangeurs de ce type peut être utilisé en parallèle, ou mis hors circuit immédiatement. La conjonction de ces perfectionnements danne à l'ensemble du dispositif un rendement et une souplesse 'remploi, tant en débit qu'en température et en diversité de liquides traités, encore inconnus. Un dispositif selon l'invention comporte des moyens de controle et d"enregistrement des températures et pression, et une pluralité de circuits dont certains ont des éléments en commun, à savoir - un circuit principal de fluide caloporteur ou frigorigène incorporant une arrivée de fluide, un générateur de chaleur ou de froid (chaudière, échangeur auxiliaire, générateur à saumure ou à fréon détendu par exemple), un ou plusieurs échangeurs de chaleur fluide - liquide alimentaire, une électro-pompe et une vanne de vidange.Un thermostat placé dans la tuyauterie d'entrée du fluide dans les échangeurs, et réglé sur une température de cm- signe, commande une vanne régulatrice de la proportion du mélange du fluide de retour et decelui provenant du générateur, donc indirectement l'apport de calories ou frigories aux échangeurs. Ce circuit comporte aussi une dérivation mise en service par ladite vanne régulatrice, qui permet de recycler le fluide dans les échangeurs sans passer par le générateur. L'ensemble du circuit principal et du circuit de recyclage de fluide est entièrement distinct des autres circuits décrits ci-dessous, sauf naturellement leur proximité géométrique dans les échangeurs. - un circuit principal de liquide alimentaire incorporant une cuve d'alimentation, une électro-pompe, éventuellement de type inversable, un ou plusieurs échangeurs déjà cités à propos-du fluide, un épurateur, et une sortie vers ltopération suivante à subir par le liquide, par exemple une machine d'embouteillage, ou vers une vanne de vidange. Un thermostat placé dans la tuyauterie de sortie du liquide des échangeurs, et réglé sur une température de consigne, commande une vanne régulatrice de débit. Ce circuit comporte aussi une dérivation mise en service par une soupape, qui permet de recycler le liquide alimentaire dans les échangeurs sans le diriger vers la sortie - un circuit de lavage du circuit principal de liquide alimentaire re, presque entièrement commun avec celui-ci, et comportant un bac d'alimentation en liquide de lavage au lieu de la cuve limentation en liquide alimentaire. Au cours du lavage du circuit principal déjà vidé de liquide alimentaire, on remplit le dit circuit avec le liquide de lavage, puis on recycle celuici vers le bac de lavage au lieu de le diriger vers la sortie. Le liquide alimentaire est tout d'abord recyclé pendant sa mise en température, puis dirigé vers la sortie lorsqu'il a atteint la température de consigne au thermostat. Lorsqu'il est nécessaire d'interrompre temporairement la sortie du liquide alimentaire, par exemple à cause de sujétions en provenance de l'opération suivante subie par le liquide, celui-ci emprunte automatiquement son circuit de recyclage sous l'action de ladite soupape, et de meme le débit de fluide admis par la vanne régulatrice en provenance du générateur est fortement réduit par rapport au débit recyclé, de sorte que les débits de liquide et de fluide dans les échangeurs restent du même ordre de grandeur ainsi que leur vitesse d'écoulement (de l'ordre de plusieurs mètres par seconde), ce qui contribue efficacement à réduire 11 encrassement, par rapport à ce qutil serait dans un fonctionnement où la vitesse du liquide alimentaire dans les échangeurs serait nulle bu notablement réduite pendant ces périodes.Cette vitesse élevée combinée à un bon coefficient de transmission de chaleur dans les échangeurs est un facteur important pour assurer au dispositif un grand débit en même temps qu'une mise en température rapide et une très courte durée de passage (quelques dizaines de secondes) favorable au maintien des qualités du liquide alimentaire. Toutefois, à la longue et malgré des cycles de lavage du circuit principal de liquide alimentaire intercalés entre le traitement dè divers lots de liquide, l'encrassement ne peut tre complètement éliminé sans accès direct à l'intérieur des conduits de liquide aliment-aire dans les échangeurs. Ceuxci sont particulièrement conçus pour le faciliter, comme on va l'expliquer. Les échangeurs qui sont montés en parallèle sont identiques ; chacun d'eux est du type tubulaire à passages multiples en série du liquide alimentaire et à circulation en parallèle du fluide caloporteur ou frigorigène ; sa particularité principale est que tous les tubes de liquide alimentaire sont droits et entourés annulairement par un tube ou circule à grande vitesse le fluide, l'ensemble des tubes baignant dans une circulation plus lente et de même sens du fluide.On réalise ainsi un excellent échange thermique entre fluide et liquide à écart de température maximum, supérieur de 25% environ à ce quton obtiendrait avec un échangeur à contre-courant, et une bonne stabilité thermique de l'ensemble de ltéchangeur en régime permanent par suite de la masse de fluide circulant dans une virole è vitesse lente et à une température différente de quelques degrés seulement de celle du fluide des tubes annulaires, ce qui minimise les contraintes de dilatation. La répartition du fluide entre ses zones de circulation est obtenue parrune chicane délimitant dans la virole une chambre d'entrée dans laquelle débouchent les tubes annulaires.Coté sortie, une seconde chicane délimite également une chambre de sortie du fluide provenant de ses zones de circulation et où débouchent également les tubes annulaires. Afin d'obtenir un accès très direct à tous les tubes droits centraux de liquide alimentaire, ainsi qutune ap- préciable économie de construction par l'exclusion de tout cintrage, les dits tubes traversent à chaque bout de l'échangeur une plaque terminale et débouchent dans un flasque ayant une face plane serrée de l'extérieur sur la plaque avec interposition d'un joint en matière élastique ; dans cette face sont évidés des canaux reliant l'extrémité de chaque tube à celle du tube qui le suit dans le parcours du liquide alimentaire. Ces canaux sont horizontaux ou descendants dans le sens du parcours du liquide, de façon que celui-ci puisse si nécessaire s'écouler par gravité pour vider l'échangeur.Le premier et le dernier tube sont reliés directement à travers un flasque, respectivement à l'entrée et la sortie de l'échangeur du liquide alimentaire. Cutre les avantages de rendement déjà mentionnés, une telle construction permet de démonter les flasques et d'accéder à la totalité des tubes centraux droits en trois minutes, et de nettoyer par accès direct l'échangeur en quinze minutes. Enoncé des figures La Fig. I représente un dispositif de traitement thermique de liquides alimentaires conforme à l'invention, dont les éléments connus sont schématisés. La Fig. 2 représente en élévation et coupe partiel le selon AA de la Fig. 3 un échangeur de chaleur cylindrique à passages multiples destiné à faire partie d'un tel dispositif. La Fig. 3 représente une coupe du même échangeur selon BB de la Fig. 2. Les Figs 4 et 5 représentent les faces intérieures de deux flasques de l'échangeur, côté entrée et c8té sortie du liquide alimentaire. Description détaillée d'une forme de réalisation Sur la Fig. 1 où le dispositif représenté est dé crit dans son application à la "thermolisation't du vin ctest-à- dire un chauffage de 10 ou 15" C à 50 - 55 C pour fixer les i dées, mais pourrait aussi bien être utilisé pour chauffer un liquide alimentaire de -5 à une température de pasteurisation de 70 - 752 C, ou même de stérilisation à 125 - 1402 C, on voit un circuit principal de fluide caloporteur, fermé mais comportant une admission en 19 et une purge automatique en 22. Dans bien des cas l'eau est un fluide caloporteur convenable, et en. particulier pour la thermolisation du vin, décrite ici. L'eau est chauffée dans une chaudière 20 munie d'un thermostat 21 régulateur de la température de sortie ; une soupape de sécurité 23 limite la pression dans le circuit. L'eau traverse ensuite une vanne régulatrice 24 commandée par un thermostat 27 ; cette vanne règle l'admission d'eau chaude provenant de la chaudière et aspirée par une électro-pompe 26 qui la refoule vers un échangeur de chaleur 8 ou E ainsi éventuellement que vers d'autres échangeurs E', E en parallèle avec E, chacun des échangeurs pouvant être mis en service ou hors service par un ensemble de vannes de dérivation 7. On trouve encore en amont de la pompe un moyen de contrôle 25, manomètre et thermomètre indiquant les caractéristiques physiques de lteau. On 8 désigné par 28 le collecteur d'eau chaude entrant dans le ou les échangeurs par une chambre 29, située près diune extrémité t l'eau chaude circule en parallèle d'un bout-à 11 autre de l'échangeur 8, d'une façon qui sera décrite en détail ci-après, vers une chambre de sortie 35 et une sortie 36 où s'embranchent encore les échangeurs en parallèle E', E". Le circuit comporte encore une vanne de vidange 40.L'eau retourne ensuite vers la source de chaleur 20 en communiquant avec un vase d'expansion 37 à pression de gaz, ou bien elle est recyclée vers l'aspiratiur de a pompe 26 en passant par la vanne régulatrice 24 qui dose la proportion d'eau recyclée ou réchauffée entrant dans le collecteur 28, sous l'action du thermostat 27 afin de maintenir une température de consigne à l'entrée de l'eau dans les échangeurs. On voit aussi sur la Fig. 1 un circuit principal de vin comprenant une cuve d'alimentation 1, une vanne à trois voies 2, un purgeur 3, une électro-pompe 4, une vanne de réglage de débit 5, un manomètre 6, un ensemble de vannes de dérivation 7 vers les échangeurs 8 ou E, E', E" en parallèle, une entrée de vin 41 dans l'échangeur 8 que le vin traverse par une pluralité de tubes en série 10, pour ressortir, en provenance d'un ou de plusieurs échangeurs, dans un collecteur 11 où débouchent les échangeurs en parallèle E, E', E" dont les sorties sont commandées par un ensemble 7 de vannes de dérivation. Un thermostat 12 dans ce collecteur est réglé sur une température de consigne et agit sur la vanne de réglage de débit 5.Le circuit principal comprend encore une vanne à trois voies 52 et une sortie soit vers une vanne de vidange 13, soit, en passant par un thermomètre enregistreur 14 et un épurateur 51 (dispositif anti-mousse par exemple), vers 11 opération aval, par exemple embouteillage par une tireuse 15. Sur le circuit principal est branchée une dérivation constituée par un circuit de recyclage du vin, mis en service par une soupape 18, qui renvoie le vin à la pompe lorsqu'vil ne sort pas vers l'opération aval. Ceci lieu d'abord lors de la montée en température du vin au début du fonctionnement du dispositif, puis de façon intermittente lorsque par la suite la sortie est interrompue par des sujétions propres à 11 opération aval. Ce recyclage est important car il permet de. maintenir con tinuellement une vitesse élevée de circulation du vin dans les échangeurs afin de réduire leur entartrage. Sur le circuit principal est également raccordé un circuit de lavage par l'intermédiaire des deux vannes à trois voies 2 et 52, et comprenant un bac à liquide de lavage 16 muni d'un trop plein 17. Lorsqu'on veut procéder à un cycle de lavage du circuit principal de vin entre deux opérations de thermolisation, on vide de vin le circuit principal, puis on le remplit de liquide de lavage qui est recyclé par le bac 16 autant que nécessaire, et enfin on rince avant d'admettre à nouveau du vin dans le circuit principal. Sur la Fig. 2 et la Fig. 3 est représenté un échangeur selon l'invention tel que E ou 8, E', E" précédemment cités. I1 comporte à ses extrémités d'un c8té une entrée de vin 41 en haut et de l'autre une sortie de vin 11 en bas, deux flasques 9 boulonnés chacun sur une plaque terminale 42 avec interposition d'un joint en matière élastique 33. L'échangeur est cylindrique et symétrique par rapport à son plan diamétral. Il contient entre une virole 39 et les deux plaques 42 un volume intérieur traversé par une circulation de vin dans une pluralité impaire de tubes tels que 10, en série, et une circulation d'eau chaude en parallèle. Les tubes 10 sont droits, sans cintrage, et ils communiquent entre eux deux à deux par leurs extrémités prolongées jusqu'aux deux flasques comme on le décrira ci-de'ssous. L'eau chaude entre et sort de 11 échangeur par deux chambres telles que 29-délimitées chacune par la virole 39, une plaque 42 et-une chicane 34 ; la sortie 36 débouchant de la chambre de sortie est visible sur la figure. Entre les deux chambres la circulation se fait, toujours dans le mime sens, d'une part à grande vitesse par des tubes d'eau droits et annulaires tels que 32 dont chacun entoure un tube central de vin 10 et se termine de part et d'autre à une chicane, d'autre part à vitesse plus lente dans le reste de ltespace intérieur 43 de lié- changeur où l'eau pénètre en traversant les chicanes 34 au moins par leur périphérie, en 38 par exemple.De cette façon l'eau chaude baigne entièrement la totalité des tubes annulaires et contribue par sa masse à la stabilité thermique de l'ensemble en régime permanent, alors que les circulationsrapidesde liteau chaude et du vin dans des tubes concentriques contribuent à un excellent échange de calories permettant à la fois des débits importants de 11 appareil, de l'ordre de 3000 litres/heure pour chaque échangeur en parallèle, avec des temps de traitement de ltordre de la vingtaine de secondes en thermolisation. La Fig. 2 montre bien la grande commodité d'accès à l'intérieur de l'ensemble des tubes à vin, par les deux bouts de leur trajet rectiligne, en enlevant seulement les deux flasques 9, ce qui ne prend que quelques minutes. Enfin les Figs. 4 et 5, faces---- intérieures des flasques 9d c8té entrée et 9g côté sortie, montrent les canaux évidés dans ces deux faces pour relier entre elles les extrémités de deux tubes à vin 10 consécutifs dans le parcours du liquide. On y remarque le long de ce parcours le tube 41 d'entrée en position haute et le tube 11 de sortie en position basse, entre lesquels le vin a parcouru la longueur de l'échangeur autant de fois qu'il y a de tubes ten nombre impair). Les canaux donnant passage au vin sont horizontaux comme 44 ou descendants comme 45, de sorte que la vin peut s'écouler par gravité de cet échangeur à passagasmultiples du fait qu'il est placé en position haute par rapport au reste du dispositif constituant le circuit principal de vin. Cette disposition a son avantage lors quton veut vider ltéchanoeur de vin ou de liquide de nettoyage sans faire intervenir la pompe de circulation 4 ; elle permet en particulier d'utiliser une pompe 4 non réversible sans difficulté de manoeuvra dans aucune phase d'opération. C'est pourquoi (Fio. 1) la pompe 4 comporte une flèche interrompue pour l'un de ses deux sens possibles de fonctionnement, indiquant que l'un des deux est facultatif. REVENDI CATI 0N 1. Dispositif de traitement thermique de liquides alimentaires fermentescibles pour les amener à une température prédéterminée et contrôlée, sous l'action d'un échange de chaleur avec un fluide caloporteur ou frigorigène, caractérisé : - en ce qu'il comporte des moyens de contrôle et d'enregistrement des températures et pressions, et plusieurs circuits dont certains ont des éléments en commun, soit un circuit de fluide caloporteur ou frigorigène avec des moyens de chauffage ou réfrigération, un circuit de liquide alimentaire passant tous deux dans au moins un échangeur de chaleur, un circuit de recyclage du fluide et un autre circuit de recyclage du liquide alimentaire, et un circuit de lavage du circuit de liquide alimentaire, chacun des circuits incorporant une pompe soit en tout au moins deux pompes, dont une première pompe produisant un flux de fluide et une deuxième pompe produisant un flux de liquide alimentaire ou un flux de liquide de lavage, et chacun des circuits incorporant au moins une vanne de commutation entre circuits et une vanne de réglage de flux, l'une d'elles étant commandée par un thermostat réglé sur une température de consigne. 2.- Echangeur de chaleur cylindrique à passages multiples destiné à faire partie d'un dispositif selon la revendication 1, caractérisé - en ce qutil comporte radialement, de l'extérieur vers rieur, une enceinte calorifugée ou virole, une zone de circulation axiale lente de fluide caloporteur ou frigorigène, et une pluralité de tubes doubles dans chacun desquels circulent, dans le tube annulaire, le fluide à une vitesse rapide dans une direction axiale de même sens que la circulation lente du même, et dans le tube central le liquide alimentaire dans l'une ou l'autre des deux directions axiales, et - en ce qutil comporte, axialement et symétriquement par rapport au plan diamétral central, de chaque extrémité vers le centre, une entrée ou sortie de liquide alimentaire communiquant directement avec un tube central, un flasque donnant passage au li quide alimentaire entre deux tubes sans cintrage, consécutifs dans le parcours du dit liquide, d'une façon exclusive de toute élévation du niveau de ce liquide le long de son parcours, ledit flasque étant boulonné sur une plaque terminale avec interposition d'un joint en matière élastomère comportant des passages pour les tubes centraux de liquide alimentaire, et une chambre d'entrée ou de sortie de fluide dans laquelle débouchent les tubes annulaires droits de circulation r,lde du dit fluide, ladite chambre étant délimitée axialement vers le centre de l'é- changeur par une chicane qui donne passage au moins périphéri quement.à unecirculation lente de fluide qui baigne chacun des dits tubes doubles et occupe l'espace intérieur délimité par la virole et les deux chicanes.