Brevet FR2419489A1 — publié le 19791005

L'invention concerne la fabrication de poudre par déshydratation d'un liquide, notamment la fabrication de lait en poudre par déshydratation de lait, entier ou écrémé. On sait que cette fabrication utilise essentiellement un évaporateur dans lequel on pulvérise le liquide et qui est parcouru par un courant d'air a haute température, l'air, qui provient d'un générateur d'air chaud, entrant dans l'évaporateur aux environs de 1850 par exemple pour en sortir aux environs de 900 en entraînant avec lui la poudre produite ainsi que la vapeur d'eau résultant de l'évaporation. En effet une température de sortie inférieure ne permettrait pas d'obtenir une véritable poudre sèche. Cet air passe d'abord dans un ou plusieurs cyclones d'extraction de la poudre produite avant d'être rejeté en général a l'atmosphère. I1 en résulte une grosse perte de calories emportées par cet air encore a haute température, et d'autre part une pollution de l'air ambiant par cet air rejeté qui transporte les particules du produits déshydraté qui sont trop fines pour être arrêtées par le cyclone, ce qui constitue en même temps une perte de substance. On a songé naturellement à placer un récupérateur de chaleur par exemple sous la forme d'un échangeur tubulaire pour récupérer les calories contenues dans cet air chaud sortant de l'évaporateur et les transférer à l'air froid alimentant le générateur d'air chaud, mais lorsqu'on a affaire a des produits hygroscopiques et thermocollants comme c'est le cas du lait en poudre, il se produit immanquablement des adhérences du produit en poudre dans les zones de l'échangeur les moins turbulentes, entrainant par croissance progressive l'obstruction complète de l'évaporateur, d'où la nécessité d'interventions et de nettoyages fréquents au cours d'une journée de production. Pour la même raison il n'est pas non plus possible de filtrer l'air sortant pour éliminer les fines particules de produit. Le but de l'invention est de réaliser un récupérateur destiné a être placé sur le flux d'air chaud sortant de l'évaporateur afin de récupérer le maximum d'énergie et de produit tout en réduisant corrélativement la pollution chimique et thermique de l'air ambiant. L'invention consiste en premier lieu à utiliser un premier étage de récupération de chaleur constitué par un échangeur tubulaire dont la plaque tubulaire d'entrée comporte des entrées de tube dont les axes sont disposés selon une maille en triangle équilatéral, l'entrée de chacun de ces tubes étant fraisée selon une surface conique coaxiale au tube, d'un angle au sommet relativement aigu et d'un degré d'enfoncement suffisant pour que la trace fictive de ce cône sur un plan limite perpendiculaire à l'axe du tube et contactant tous les points extrêmes de la plaque entourant ce tube soit un cercle, naturellement centré sur l'axe du tube, et passant au moins par le milieu du côté du triangle correspondant et de préférence par le milieu de ce triangle. Ce premier étage de récupération réchauffe naturellement l'air alimentant le générateur d'air chaud pour l'évaporateur. L'invention consiste en second lieu à disposer a la suite de ce premier étage un deuxième étage de récupération de chaleur et de produit constitué par un laveur tourbillonnaire à flux d'air ascendant et dans lequel est pulvérisé un liquide qui est constitué par le produit à évaporer lui-même de manière à récupérer dans ce produit à la fois les fines particules et les calories encore contenues dans l'air sortant du premier étage.L'invention se complète par un dispositif de lavage journalier et de stérilisation ainsi que par une disposition particulière permettant d'assurer le fonctionnement normal aussi bien que le lavage à l'aide d'une seule pompe de circulation, le liquide sortant du deuxième étage de récupération étant acheminé vers les cuves et vers cette pompe par gravité et par l'intermédiaire d'un siphon avec casse vide et bipasse inférieur pour la phase de lavage, D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel les fig. 1 et 2 représentent respectivement en vue de dessus et en perspective la plaque tubulaire d'entrée dans un premier mode de réalisation constituant une limite;; les fig. 3 et 4 représentent respectivement en vue de dessus et en perspective la plaque tubulaire d'entrée dans le mode préférentiel de réalisation; la fig. 5 est une coupe à plus grande échelle selon V-V de la fig. 3; la fig. 6 est le diagramme schématique de l'installation de récupération complète. L'air chaud sortant de l'évaporateur non représenté aux environs de 900 et encore chargé de fines particules de lait en poudre arrive en 1, comme représente sur la fig. 6, & BR Sur la fig. 1 on a désigné par la méme référence 6 l'embouchure de chacun de ces tubes sur la plaque tubulaire 5, et par 7 la trace des axes de ces tubes. Conformement a l'invention, on fraise la plaque tubulaire alentour de chacune des embouchures de tube 6 selon une surface conique, désignée par 8, d'un angle au sommet suffisamment aigu, c'est-a-dire inférieur a 900 ou a la limite égal a cet angle, et de préférence de l'ordre de 600. Cette surface conique 8 est naturellement de révolution autour de l'axe 7 du tube correspondant, et une fois défini son angle et son axe il ne reste plus qu'un paramètre pour la déterminer, ce parametre correspondant au degré d'enfoncement de cette surface. Pour déterminer pratiquement ce degré d'enfoncement on définit le diamètre de la trace, réelle ou fictive, de cette surface conique 8 dans un plan de référence déterminé. Comme plan de référence on choisira le plan perpendiculaire a l'axe 7 d'un des trous considérés (par exemple celui du centre de la fig. 1) qui s'appuie sur tous les points extrêmes de la plaque entourant ce trou c'est- -dire sur les six sommets entourant ce trou avec l'orientation choisie. C'est ce que l'on appellera par l'abréviation dans ce qui suit le plan limite. Conformément a l'invention, on choisit le degré d'enfoncement de chaque surface conique 8 de telle manière que la trace de cette surface conique 8 sur le plan limite ainsi défini, qui est naturellement un cercle centré sur l'axe 7 d'un des tubes, passe au moins comme représenté sur la fig. 1 par le milieu 10 d'un des cotés du triangle équilatéral partant de cet axe 7. En d'autres termes, le rayon de cette trace 9 devra entre au moins égal a la moitié du c5té de la maille triangulaire, elle-meme égale à 1'entraxe commun des tubes. Dans le cas limite représenté sur la fig. 1, où ce rayon est exactement égal a la moitié de l'entraxe, les traces circulaires 9 sont réelles et tangentes entre elles aux divers points 10, ces divers points 10 constituant autant d'arretes vives ponctuelles délimitant entre elles des triangles curvilignes 11 relativement réduits qui sont les seules régions ol! peuvent encore s'accumuler les fines particules de lait. I1 est clair que, en accroissant le rayon des traces 9 de telle manière qu'elle se coupent entre elles, les surfaces des triangles 11 se réduisent progressivement en même temps que ces traces deviennent progressivement fictives. A la limite on obtient le tracé représenté sur la fig. 3 dans lequel les triangles curvilignes 11 ont complétement disparus, la surface supérieure de la plaque tubulaire 5 n'étant plus alors limitée que par les surfaces coniques 8 et les arêtes hyperboliques 12 d'intersection de ces surfaces entre elles, ces arêtes hyperboliques 12 convergeant elles-mêmes trois par trois selon des sommets 13. I1 est clair dans ce cas que chaque sommet 13 se trouve en project-ion au centre d'un triangle équilatéral joignant les trois axes des tubes entourant ce sommet. I1 est clair d'autre part que le plan limite précédemment défini, s'appuyant ici sur les six sommets 13 entourant chaque tube, coupe la surface conique d'entrée 8 de ce tube selon une trace entièrement fictive désignée par 14 sur la fig. 3, laquelle trace passe néces- sairement par les points 13, communs au plan limite et a la surface conique 8. On peut donc dire que dans ce cas la trace précédemment définie passe par les centres des triangles. I1 faut remarquer d'autre part que tout degré d'enfoncement ultérieur des surfaces coniques 8 entraîne un abaissement correspondant des sommets 13, donc du plan limite tel qu'il a été défini, ce qui par conséquent ne modifie plus le rayon de la trace 14. Ce mode de réalisation des fig. 3 à 5 constitue les conditions idéales de mise en oeuvre de l'invention dans la mesure précisément ou il n'y a plus aucune zone d'accumulatior des fines poussières mais uniquement des surfaces 8 très obliques séparées par des arêtes 12 très vives. Ceci apparait très clairement sur la perspective de la fig. 4. Un calcul facile montre que dans ce cas le rayon de la trace dans le plan limite est égal a la fraction 0,577 de l'entraxe des tubes. Naturellement tous les cas intermédiaires entre la fig. 1 et la fig. 3 permettent d'obtenir, à un plus ou moins haut degré, l'avantage recherché, c'est-à-dire la réduction des surfaces d'accumulation et leur remplacement par des arêtes vives et des surfaces fortement inclinées. En d'autres termes, le rapport entre le rayon de la trace de la surface conique sur le plan limite précédemment défini et l'entraxe des tubes doit être compris entre 0,500 et 0,577, et le plus près possible de ce dernier chiffre. A titre d'exemple d'excellents résultats sont obtenus avec le mode de réalisation préférentiel des fig. 3 à 5 avec un angle au sommet de 600 en utilisant un diamètre extérieur des tubes de 52 mm et un entraxe de 65 mm, ce qui conduit, avec une épaisseur initiale de plaque de 30 mm, à laisser subsister une longueur de 9 mm pour l'emmanchement des tubes dans la plaque. I1 est clair qu'à partir de cet exemple préférentiel, si l'on réduit l'épaisseur de la plaque initiale tout en conservant les mêmes cotes par ailleurs, on se rapproche progressivement du mode de réalisation des fig. 1 et 2 ce qui présente l'avantage de réduire le prix de matière et le temps d'usinage de la plaque mais présente par contre l'inconvénient d'augmenter progressivement les surfaces des triangles curvilignes intermédiaires tel que 11. Cependant cet inconvénient peut être accepté dans une certaine mesure, tant que les accumulations de matière qui s'y produisent supportent une journée complète de production sans intervention, étant donné que de toute façon un nettoyage journalier est nécessaire pour ces produits qui sont généralement putrescibles et destinés à l'alimentation.Il est donc possible de trouver un compromis économique dans la marge indiauée. L'échangeur ainsi réalisé, qui constitue le premier étage de récupération 2, permet ainsi de récupérer dans le circuit d'air neuf une grande partie des calories contenues dans le flux sortant de l'évaporateur. Toutefois l'air arrivant a la base 15 de cet échangeur 2 a encore une temps rature de l'ordre de 58 à 600, et d'autre part il contient toujours les fines particules de poudre. C'est pourquoi l'invention se propose également de récupérer une nouvelle fraction de la chaleur contenue ainsi que des particules de lait en poudre en utilisant un deuxième étage de récupération désigné par 16 sur la fig. 6. Cet étage 16, accolé au précédent, est à flux montant et constitue un laveur de type tourbillonnaire dans lequel l'air chaud provenant de 15 débouche par une arrivée tangentielle 17 et s'écoule vers le haut d'un mouvement tourbillonnaire, accéléré à mi-hauteur par des ailettes fixes 18 avant de s'échapper par la cheminée 19. En même temps, des rampes 20 pulvérisent dans cette veine ascensionnelle un liquide qui est constitué par le liquide même qui alimente l'evapora- teur de telle manière que ce liquide récupère à la fois les calories contenues dans l'air, qui s'écoule de ce fait aux environs de 350 en 19, et la majeure partie des fines particules de lait qui se trouvent remises en solution et augment de ce fait la concentration du liquide. Ceci permet par conséquent d'alimenter l'évaporateur avec du liquide déjà chaud et plus concentré. Les ailettes 18 d'accélération du mouvement tourbillonnaire ont pour effet de centrifuger vers la périphérie les gouttelettes de liquide qui viendraient à être entrainées à travers la partie médiane 21 malgré la gravité qui attire ces gouttelettes vers le bas et le mouvement tourbillonnaire de la base du récupérateur 16 qui centrifuge ces gouttelettes vers la périphérie.Le liquide ainsi centrifugé alentour et au-dessus des ailettes 18 se trouve récupéré par un fond oblique 22 et renvoyé par un tube de retour 23 dans le fond du récupérateur 16 od se trouve maintenu un niveau liquide 24, alimenté à la fois par ce tube 23 et par les gouttelettes non entraînées qui s'écoulent par gravité des pulvérisateurs 20 sur un cône déflecteur 25, ainsi que par les gouttelettes centrifugées le long de la surface intérieure de la paroi inférieure du récupérateur 16 et qui ruissellent le long de la paroi jusqu'au niveau 24. Afin de réduire les frais d'installation, la cuve habituelle 26 contenant le produit liquide a évaporer se trouve placée au-dessous du niveau liquide 24, ce qui permet de drainer le liquide récupéré en 24 vers cette cuve 26 par simple gravité en utilisant un siphon 27 muni d'un orifice casse vide 28 pour opérer ce drainage et maintenir le niveau 24. Le liquide de la cuve 26 s'en va par une vanne de réglage 30 vers l'évaporateur non représente tandis qu'une dérivation 31 prélève une petite partie de ce liquide a l'aide d'une pompe unique 29 pour alimenter les rampes 20.Pour assurer ce circuit il est prévu des robinets à trois voies réfé- rentés 32, 33 et 34 ainsi qu'une vanne a trois voies 35 dont on verra le rôle par la suite et qui sont toutes placées dans la position symbolisée sur la fig. 6. En outre, un robinet de réglage 36 permet de régler le débit du liquide recyclé dans le récupérateur. Pour assurer le lavage journalier de toute l'installation de récupération il est prévu une cuve supplémentaire 37 alimentée par une canalisation 38 a partir du robinet a trois voies 32 et alimentant elle-meme la pompe 29 par le robinet à trois voies 33. Ceci permet d'envoyer le liquide de lavage contenu dans la cuve 37 vers la pompe 29 et de l , par le robinet a trois voies 34 vers une canalisation de lavage 39 qui alimente simultanément ou successivement une pomme de lavage 40 arrosant la plaque tubulaire supérieure 5 ainsi que des arrosage 41 a la base de l'échangeur tubulaire, 42 et 43 respectivement dans la partie supérieure du récupérateur 16 et au-dessus des ailettes 18, et 44 au-dessous de ces ailettes, le liquide de lavage étant récupéré dans le fond 24 et dirigé par le robinet 32 vers la cuve 37.Toutefois pour assurer lors des lavages et rinçages successifs une vidange complète de la base du récupérateur 16, il est prévu pendant la phase de lavage d'ouvrir un robinet de bipasse 45 court-circuitant le siphon 27 pour éviter de maintenir le niveau liquide 24. Ce robinet 45 est naturellement fermé pendant le fonctionnement normal de l'installation. A titre de perfectionnement, il est prévu un injection de vapeur 46 permettant de stériliser les parties de l'appareil où des adhérences de gouttes sur les parois peuvent prédisposer au développement d'une flore microbienne, en particulier la région au-dessus du fond 22 entourant les ailettes fixes 18, et l'intérieur du tube 23 comme représenté par la dérivation 47. Cette injection de vapeur peut avoir lieu périodiquement pendant la marche de l'appareil et également après le lavage. L'installation de récupération selon l'invention est ainsi d'une relativement grande simplicité, d'un faible encombrement grace a l'inversion des deux flux et surtout d'une très grande efficacité puisqu'elle récupère en deux temps les calories de l'air sortant sur la phase gaz et sur la phase liquide avec en outre une récupération des matières qui seraient autrement perdues. Elle est donc extrêmement intéressante sur le plan économique, et en outre, permet de réduire dans de fortes proportions la pollution chimique et thermique de l'air ambiant. REVENDICATIONS 1. Récupérateur pour installation de fabrication de poudre, notamment de lait en poudre, destiné à être inséré sur le flux d'air chaud sortant de l'évaporateur habituel dont l'alimentation est elle-même assurée un aérotherme, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur a plaque tubulaire parcouru d'une part par ce flux et d'autre part par l'air neuf alimentant l'aérotherme, et que la plaque tubulaire d'entrée de ce flux, dont les tubes sont disposés selon une maille triangulaire, comporte a l'entrée de chaque tube une surface de raccordement conique de révolution autour de l'axe du tube correspondant et dont le degré d'enfoncement est déterminé de telle manière que la trace réelle ou fictive de cette surface conique sur un plan limite s'appuyant sur les points extrêmes de la plaque entourant ce tube soit un cercle d'un rayon compris entre 0,500 et 0,577 fois l'entraxe commun des tubes. 2. Récupérateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite surface conique a un angle au sommet aigu ou au plus egal a 900, et de préférence égal à 60". 3. Récupérateur selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le récupérateur en phase gazeuse constitué par l'échangeur à plaque tubulaire est complété par un récupérateur en phase liquide agencé comme un laveur tourbillonnaire mais alimenté par une fraction du liquide même qui alimente l'évaporateur et qui se trouve de ce fait réchauffée et concentrée par récupération des calories et des fines. 4. Récupérateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le récupérateur en phase gazeuse est à flux principal descendant et alimente par sa base la base du récupérateur en phase liquide qui est à flux gazeux ascendant et naturellement à flux liquide descendant. 5. Récupérateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que tous les liquides récupérés dans le récupérateur en phase liquide se rassemblent à la partie inférieure du récupérateur à phase liquide où est maintenu un niveau constant grace à un siphon combiné avec un casse vide, l'écoulement se faisant ensuite par gravité vers les cuves de reprise dans lesquelles puise une pompe unique, avec un circuit et des robinets à voies multiples permettant d'assurer le fonctionnement normal aussi bien que le lavagerinçage journalier, une vanne de bipasse étant en outre disposée de manière à court-circuiter le siphon pendant la phase de lave-rinçage. 6. Récupérateur selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est prévu en outre un circuit d'injection de vapeur pour permettre de stériliser périodiquement pendant la marche, ainsi qu'une dernière fois après le lavage, les parties de l'installation sujettes au développement d'une flore microbienne.