Brevet FR2338085A1 — publié le 19770812

l'invention, due à Monsieur Fritz HESS, concerne un appareil pour mélanger une substance gazeuse à une substance liquide, en particulier pour l'injectioii- directe de vapeur en vue de modifier une température, destiné de préférence à chauffer des liquides qui le traversent, lequel appareil comporte un canal mélangeur présentant de préférence une section circulaire et au moins un orifice pour l'injection de gaz ou de vapeur. Les appareils pour l'injection directe de vapeur sont également désignés, à partir du terme anglais (Direct Steam Injection), par l'abréviation "appareils 1)SI" et ils servent à chauffer rapidement et pendant une courte durée des liquides, en particulier pour la stérilisation de produits alimentaires. Des types de construction connus d'appareils pour ltinjection directe de vapeur comportent un canal plus ou moins tubulaire pour 11 écoulement du liquide et un ou plusieurs orifices, trous ou tuyères par où l'on injecte de la vapeur dans le liquide. On connatt en particulier un mode de réalisation dans lequel la vapeur est injectée par un grand nombre de petits trous latéraux dans un canal mélangeur cylindrique ; ce mode de réalisation est expliqué plus loin avec davantage de détails en se référant à la figure 1. Du fait que la vapeur ne se condense pas immédiatement à la sortie des trous, mais qu'elle pénètre dans le liquide sous forme de jets analogues à des flammes, on dispose les trous le plus régulièrement possible et avec des espacements-Gonvenables et on les fait aussi les plus petits possibles afin que la condensation s'effectue tranquillement et sans chocs. Pour rendre ceci possible également avec des produits visqueux, on utilise divers procédés de construction qui concernent dtune part le canal mélangeur et d'autre part l'arrivée de vapeur. Des réalisations connues relatives au canal mélangeur présentent des cloisons en forme de cane allant en se rétrécissant ou en s'élargissant ou une combinaison de ces possibilités, ou également des déflecteurs avec de tels contours, des canaux en spirale ou en zigzag ou des garnitures intérieures, diaphragmes d'étranglement et autres. En ce qui concerne l'introduction de la vapeur, on peut citer des tuyères axiales ou des tuyères annulaires, des dispositions géométriques spéciales de trous latéraux, en les plaçant par exemple sur des hélices ou d'autre façon. Si elles sont correctement appliquées et combinées de façon adéquate, toutes les mesures citées donnent des appareils d'injection directe de vapeur pratiquement utilisables pour autant que la viscosité du liquide ne soit pas trop élevée. Le but de l'invention est de réaliser un appareil du genre indiqué au préambule qui soit d'un fonctionnement sur et efficace même avec des substances liquides de viscosité relativement élevée. Ce résultat est atteint suivant l'invention, avec un appareil du genre indiqué au préambule, par le fait qu'une entrée qui va en se rétrécissant est suivie, dans la zone d'injection du gaz ou, de la vapeur, d'un canal mélangeur qui va en s'élargissant, l'orifice par lequel s'effectue l'injection du gaz ou de la vapeur ayant une configuration telle que la vitesse du gaz ou de la vapeur injecté par cet orifice présente une composante périphérique de rotation autour de l'axe du canal mélangeur ou de la chambre de mélange. Les orifices prévus pour l'injection du gaz ou de la vapeur peuvent alors être formés par des trous latéraux, disposés en couronnes sur le pourtour du canal mélangeur, dont les sorties présentent des composantes de direction tangentielles, le sens de la rotation n'étant pas obligatoirement le même à l'intérieur d'une couronne ou d'une couronne à l'autre. Il est dono en particulier possible que le sens de rotation produit à l'intérieur d'une même couronne par les divers orifices diffère d'un orifice à l'autre. Il est cependant également possible que le sens de rotation soit le même à l'intérieur de chaque couronne d'orifices. Dans ce dernier cas, la réalisation peut être telle que les sens de rotation de couronnes d'orifices successives soient opposés. En outre, l'appareil suivant l'invention peut avoir une configuration telle que plusieurs canaux mélangeurs allant en s'élargissant dans le sens de l'écoulement soient disposés les uns à la suite des autres, une entrée allant en se rétrécissant dans le même sens étant prévue en amont de chacun desdits canaux mélangeurs. Suivant un perfectionnement de l'invention, l'adduction du gaz ou de la vapeur à injecter peut se faire par plusieurs chambres à gaz ou à vapeur séparées les unes des autres dans lesquelles peuvent régner des pressions de gaz ou de vapeur différentes. Dans ce cas, les diverses couronnes d'orifices d'injection de gaz ou de vapeur qui correspondent à un même canal mélangeur peuvent être alimentées par des chambres à gaz ou à vapeur différentes, -quoiqu'il soit préférable d'associer à tous les orifices d'injection de gaz ou de vapeur qui débouchent dans un même canal mélangeur une chambre à gaz ou à vapeur commune. Si cependant plusieurs canaux mélangeurs sont disposés les uns à la suite des autres dans le sens de l'écoulement du liquide comme on l'a indiqué plus haut, il est en de nombreux cas préférable d'associer à chaque canal mélangeur une chambre à gaz ou à vapeur séparée. Avec l'invention, on obtient donc ce résultat que l'énergie cinétique nécessairement libérée par la détente du gaz ou de la vapeur sert à augmenter et à changer plus souvent les surfaces et à brasser le liquide et se trouve utilisée dans la plus large mesure possible, en tout cas dans une plus large mesure que ce n'est le cas, de façon plus ou moins aléatoire, avec les appareils existants Jusqu'd présent. De cette manière, l'invention permet un mélange, et spécialement une condensation, réguliers et tranquilles, même dans le cas de viscosités beaucoup plus élevées que jusqu'à l'heure actuelle. On comprendra mieux l'invention à partir de la description détaillée de certains de ses modes de réalisation donnés ici uniquement à titre illustratif et sans aucun caractère limitatif qui en sera faite ci-après à l'aide des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une coupe longitudinale d'un appareil d' injection directe de vapeur connu, destinée à expliquer l'état d'avancement de la technique antérieure la figure 2 est une coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un appareil d'injection directe de vapeur suivant l'invention la figure 3 est une coupe suivant la ligne I-I de la figure 2, vue dans le sens des flèches la figure 4 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 2, vue également dans le-sens des flèches la figure 5 est une coupe longitudinale d'un second mode de réalisation d'un appareil d'injection directe de vapeur suivant la figure 2 avant tout par le fait qu'il comporte plusieurs chambres de mélange la figure 6 est une coupe longitudinale d'un troisième mode de réalisation d'un appareil d'injection directe de vapeur suivant l'invention qui a dans l'essentiel la même construction que l'appareil suivant la figure 5, mais qui sten distingue surtout par le fait qu'au lieu de la chambre à vapeur commune à toutes les chambres de mélange, il présenté plusieurs chambres à vapeur séparées qui sont associées chacune à une chambre de mélange ; et la figure 7 est une coupe longitudinale d'un quatrième mode de réalisation. En se référant tout d'abord à la figure 1, on y voit représenté un mode de réalisation connu d'appareil pour injection directe de vapeur. Le liquide Â est amené au mélangeur proprement dit 2 par un tuyau d'adduction 1 et il en sort par un tuyau d'évacuation 3. Le mélangeur proprement dit 2 est constitué essentiellement par un -canal mélangeur cylindrique 4 entouré par une chambre à vapeur 5 qui lui est concentrique et dans laquelle on fait arriver sous pression la vapeur B par une tubulure de raccordement 6. La paroi du canal mélangeur cylindrique 4 est percée d'un grand nombre de petits trous latéraux 7 par lesquels la vapeur B venant de la chambre à vapeur 5 est injectée dans le canal mélangeur 4. Les trous 7 sont disposés le plus régulièrement possible et avec des espacements convenables les uns des autres et leur diamètre est le plus petit possible pour que la condensation de la vapeur B dans le liquide Â s'effectue d'une façon avantageuse. On va maintenant commencer par expliquer plus précisément le principe de l'invention en se référant pour cela à la figure 2. De la gauche, le liquide visqueux À est amené sous pression à l'appareil à injection directe de vapeur 8 au moyen d'une pompe adéquate et il est accéléré de façon connue dans une proportion approximative de 1:5 à 1:10 dans un convergent d'entrée 9 qui va en se rétrécissant. Le rétrécissement qui résulte de cette entrée produit un effet d'étranglement et entrain ainsi un certain découplage des éventuelles fluctuations de pression en amont et en aval de cet étranglement.La vapeur B est introduite par une tubulure de raccordement 10 dans une chambre à vapeur 11 qui entoure concentriquement la zone de mélange dans laquelle la vapeur B doit être introduite dans le liquide visqueux A. Les orifices 12 et 13 prévus pour l'injection de vapeur se trouvent en aval du col 14 par lequel se termine le convergent d'entrée 9, si bien que c'est par conséquent de ce col 14 que part le canal mélangeur proprement dit 15 dans lequel s'effectue le mélange du liquide et de la vapeur. Le convergent d'entrée 9, le col 14 et le canal mélangeur 15 sont formés par un tube 16 dont la section intérieure décroît dans la zone du convergent d'entrée 9 en allant dans le sens de l'écoulement, demeure cylindrique dans la zone du col 14, et s'évase dans la zone du canal mélangeur 15 en forme de cône divergent dans le sens de l'écoulement du liquide À ; c'est dans cette dernière zone que sont prévues les ouvertures 12 et 13, dont on a déjà parlé, par lesquelles la vapeur B est introduite dans le liquide A. La section droite intérieure du tube 16 est de préférence partout circulaire. Les orifices 12 et 13-réalisés sous forme de trous percés dans la paroi sont opportunément disposés en couronnes qui sont convenablement espacées les unes des autres dans la direction de l'écoulement. On peut voir sur la figure 3 l'une de ces couronnes de trous qui comprend les orifices 12 tandis que la seconde couronne de trous qui comprend les orifices 13 est représentée sur la coupe de la figure 4. Comme on peut le reconnattre sur ces figures, les orifices 12 et 13 sont percés obliquement par rapport à la direction radiale, si bien que les jets de vapeur qui en sortent ont des composantes de vitesse suivant la direction circonférentielle du canal mélangeur 15. De cette façon, le liquide se trouve mis en rotation à la traversée de la couronne d'injection de vapeur si les trous 12 sont percés obliquement dans le même sens comme le représente la coupe de la figure 3. S'il n'y avait ni frottement, ni accélération, ni chocs, le liquide A tournerait en bloc approximativement à la vitesse de sortie de la vapeur, donc approximativement avec une vitesse périphérique de 400 m/s par exemple. Au contraire de ce qui se passe pour la direction axiale de l'écoulement, l'équation de continuité n'imposerait en tout cas aucune limite à cette vitesse.Grâce à l'introduction tangentielle de la vapeur, une partie très importante de l'énergie cinétique de la vapeur B se trouve par conséquent transformée en énergie cinétique de rotation du liquide À. Dans cet écoulement rapide riche en énergie, il se produit ainsi un brassage plus intense et un mélange plus uniforme que dans un écoulement plus lent. Les surfaces de contact entre le liquide et la vapeur se trouve plus fréquemment remplacées par de nouvelles surfaces. La condensation peut se produire régulièrement et sans chocs et ceci même lorsque dans le cas d'un autre mode d'introduction de la vapeur, on ne réussirait déjà plus à obtenir ce résultat par suite d'une viscosité trop élevée du liquide.Depuis la section représentée sur la figure 3, le liquide en rotation chemine vers celle de la figure 4 à la périphérie de laquelle on injecte également de la vapeur, mais dans le sens opposé au sens dans lequel il tourne jusqu'alors et qui résulte du tracé des orifices 12. Les jets de vapeur s'engagent comme des doigts dans le liquide es rotation, freinent sa rotation et finalement l'inversent. Il se développe nécessairement au sein du liquide des contraintes de cisaillement encore plus fortes que dans la première couronne de vapeur produite par les orifices 12, gracie à quoi l'on obtient un brassage et un échange permanent des surfaces en contact avec la vapeur encore plus intenses et par suite des conditions de condensation encore meilleures. On ne peut naturellement pas supposer sans plus que toute la vapeur B injectée à la traversée d'une couronne soit complètement condensée dans le liquide A avant que soit atteinte la couronne suivante parce que les conditions de condensation sont différentes d'une couronne à l'autre. En conséquence de la rotation, un excédent éventuel de vapeur se rassemblera dans l'axe du canal mélangeur et - en régime non perturbé - y formera un noyau de vapeur stationnaire grtce auquel un équilibre pourra s'effectuer entre les zones où la vapeur se condense bien et celles où elle se condense mal. Une réalisation du canal mélangeur sous forme d'un divergent conique qui va en s'agrandissant dans le sens de l'écoulement comme le représente la figure 2 favorise ce processus, et ceci tout d'abord simplement en conséquence de la section croissante qui s'offre à l'écoulement. Mais en outre, le liquide en rotation le long de la paroi conique est soumis à une accélération analogue à la composante de la pesanteur sur une pente descendante et dirigée vers l'évasement du cône. Cela favorise un décollement interne et une cavitation dans l'axe de rotation. On a expliqué ci-dessus le principe à la base de l'invention sur l'exemple d'un appareil d'injection directe de vapeur n'ayant que deux couronnes d'injection de vapeur respectivement formées par les orifices 12 et par les orifices 13, mais en théorie le nombre des couronnes d'injection de vapeur n1 est a priori pas limité. Il apparat cependant en pratique qu'avec un trop grand nombre de couronnes d'injection de vapeur disposées dans une chambre de mélange conique commune, et par suite longue, on ne réussit plus à obtenir (surtout avec des liquides visqueux ou fortement visqueux) une condensation tranquille et sans à coup. Les conditions de condensation sont manifestement trop différentes dans une chambre de mélange unique, le noyau de vapeur devient trop volumineux et le fonctionnement devient instable. Dans de tels cas, il est avantageux de disposer à la suite les uns des autres plusieurs chambres ou canaux mélangeurs avec dans chacun d'eux un moindre nombre de couronnes d'injection de vapeur ou même une seule et de "découpler" ces chambres de mélange les unes des autres par. des rétrécissements en forme de tuyères. Un tel mode de réalisation est représenté sur la figure 5, sur laquelle plusieurs canaux mélangeurs 17, 18 et 19 sont disposés les uns à la suite des autres. Le premier canal mélangeur 17 présente des orifices 20, 21 et 22 qui sont respectivement groupés en couronnes d'orifices comme par exemple les orifices 12 et 13. Ici, les orifices sont de préférence orientés dans les couronnes successives de telle sorte que la vapeur B qui en sort imprime au liquide À des rotations de sens opposé d'une couronne à la suivante. Dans le canal mélangeur 18, il y a des couronnes d'orifices constituées respectivement par des orifices 23, 24 et 25 et dans le canal mélangeur 19 viennent déboucher des couronnes d'orifices constituées par des orifices 26 et 27 respectivement. Pour ce qui est des couronnes d'orifices associées aux canaux mélangeurs 18 et 19, ce qui a été exposé précédemment au sujet des couronnes d'orifices du canal mélangeur 17 est également valable. Les canaux mélangeurs 17, 18 et 19 sont "découplés" les uns des autres par des convergents d'entrée 28, 29 et 30 respectivement suivis de courtes parties cylindriques formant des cols 31, 32 et 33. Par suite de l'étranglement aux cols, une onde de choc, en soi déjà plus faible, qui se formerait dans l'une de ces chambres de mélange plus courtes par suite d'une condensation brusque du noyau de vapeur relativement petit ne peut se propager qu'avec de faibles effets perturbateurs dans les canaux mélangeurs voisins. Il est vrai que, pour remplir leur office, ces étranglements absorbent de l'enthalpie statique. Les pressions qui règnent dans les canaux mélangeurs ou chambres de mélange successifs deviennent donc de plus en plus faibles en allant dans le sens de l'écoulement.Dans le mode de réalisation de la figure 5, il n'est prévu qu'une seule chambre à vapeur 34 qui présente une tubulure de raccordement 34' par laquelle arrive la vapeur B. Dans cette chambre à vapeur, il faut naturellement que la pression soit, à tout le moins, légèrement supérieure à celle qui règne dans le premier canal mélangeur 17 afin que le produit traité ne puisse pas refluer de ce canal mélangeur dans la chambre à vapeur. La possibilité de réglage dans le sens d'un abaissement de la température de chauffage en réduisant la pression de la vapeur par étranglement est de ce fait assez limitée dans le cas d'une telle chambre à vapeur commune associée à plusieurs canaux mélangeurs successifs. La figure 6 représente en conséquence un mode de réalisation suivant lequel chacun des canaux mélangeurs est entouré d'une chambre à vapeur qui lui est propre. Puisqu'à part les chambres à vapeur, l'exemple de réalisation de la figure 6 est construit exactement comme celui de la figure 5, on ne s'étendra ici que sur cette modification tandis que, pour le reste, on renvoie à ce qui a été exposé à propos de la figure 5. Dans le détail, on a associé- au canal mélangeur 17 la chambre à vapeur 35 avec la tubulure de raccordement 38 par laquelle est amenée la vapeur ),au canal mélangeur 18 la chambre à vapeur 36 qui a une tubulure de raccordement 39 pour l'adduction de la vapeur B2, et enfin au canal mélangeur 19 la chambre à vapeur 37 avec la tubulure de raccordement 40 pour l'arrivée de la vapeur B3.En donnant à la vapeur des désignations différentes B1, B2 et 33, on veut exprimer le fait que les diverses chambres 35, 36 et 37 peuvent être alimentées avec des pressions de vapeur différentes. Abstraction faite de cette dernière caractéristique, la possibilité de réglage dans le sens d'un abaissement de la température de chauffage est encore beaucoup plus grande, du fait qu'on peut même couper complètement l'alimentation en vapeur de certaines chambres individuelles. Suivant le mode de réalisation de la figure 7, une tuyère à vapeur conique convergente 53 dans laquelle est monté un -déflecteur 54 destiné à imprimer un mouvement hélicordal est disposée dans le convergent d'entrée du canal mélangeur qui va en se rétrécissant dans le sens de l'écoulement. De l'orifice 52 de la tuyère à vapeur 53, l'écoulement de vapeur qui arrive dans le sens des flèches B sort sous forme d'un tourbillon 55. L'écoulement du liquide qui arrive dans le sens de la flèche À se trouve en conséquence mis en rotation. Sa vitesse comporte, comme celle de la vapeur, une composante circonférentielle de rotation autour de l'axe du canal mélangeur 50. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareil pour mélanger une substance gazeuse à une substance liquide, en particulier pour l'injection directe de vapeur en vue de modifier une température, destiné de préférence -à chauffer des liquides qui le traversent, lequel appareil comporte un canal mélangeur présentant de préférence une section circulaire et au moins un orifice pour l'injection de gaz ou de vapeur et est caractérisé par le fait qu'une entrée qui va en se rétrécissant (9; 28, 29, 30; 51) est suivie, dans la zone d'injection du gaz ou de la vapeur, d'un canal mélangeur qui va en s'élargissant (15 17, 18, 19 ; 50), l'orifice (12, 13 ; 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ; 52) par lequel s'effectue l'injection du gaz ou de la vapeur ayant une configuration t-elle que la vitesse du gaz ou de la vapeur injecté par cet orifice présente une composante périphérique de rotation autour de l'axe du canal mélangeur. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les orifices (12, 13 t 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27) prévus pour l'injection du gaz ou de la vapeur, sont formés par des trous latéraux, disposés en couronnes sur le pourtour du canal mélangeur (15 ; 17, 18, 19), dont les sorties présentent des composantes de direction tangentielles. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le sens de rotation produit à l'intérieur d'une même couronne par les divers orifices (12, 13 ; 20 à 27) diffère d'un orifice à l'autre. 4. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le sens de rotation est le même à l'intérieur d'une même couronne d'orifices (12, 13 ; 20 à 27). 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les sens de rotation de couronnes d'orifices (12, 13 20 à 27) successives sont opposés. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que plusieurs canaux mélangeurs (17, 18, 19) allant en s'élargissant dans le sens de l'écoulement sont disposés les uns à la suite des autres, une entrée allant en se rétrécissant dans le même sens (28, 29, 30) étant prévue en amont de chacun desdits canaux mélangeurs. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que pour l'adduction de la vapeur à injecter, il est prévu plusieurs chambres à gaz ou à vapeur séparées les unes des autres (35, 36, 37) qu'on peut faire fonctionner avec des pressions de gaz ou de vapeur différentes les unes des autres. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'orifice (52) est l'orifice de sortie d'une tuyère à gaz ou à vapeur disposée dans l'axe et provoquant un mouvement hélicoSdal.