Brevet FR2481889A1 — publié le 19811113

L'invention concerne un dispositif pour le chauffage de liquides, notamment alimentaires, en vue de leur pasteurisation, stérilisation, ou similaire, au moyen d'un rotor susceptible de tourner dans un manchon cylindrique d'un tambour, le rotor définissant avec le tambour un espace en fente annulaire dans lequel le liquide à traiter est amené au voisinage des deux extrémités du manchon, et, après échauf- fement par frottement, évacué au voisinage du milieu du tambour. La demande de brevet publiée après examen DE 1 667 933 montre un dispositif de ce genre pour le traitement de lait ou de produits laitiers, présentant un espace libre entre un tambour fixe et un dise que rotatif dans ce tambour, pour le transit du liquide à traiter et son admission au voisinage de l'axe de rotation du disque en vue de son introduction dans l'espace libre. Le liquide est ainsi acheminé dans et à travers le dispositif par une pompe montée séparément, par exemple, une pompe rotative.Ainsi deux organes d?entralnement sornt en tout nécessaires, l'un pour le disque, lsautre pour la pompe rotative L'invention a pour but une meilleure maîtrise, une possibilité de réglage de la durée de séjour et de la distribution de cette durée pour des liquides alimentaires à pasteuriser, à stériliser ou à chauf fcp, la capacité d'adaptation de la construction à des fluides de haute ou de faible viscosité, ainsi que la possibllité de modifier l'état de l'écoulement dans l'espace libre par un choix approprié de l'épais- seur de cet espace, de la vitesse de rotation du rotor, etc. Alors que l'on peut attendre un écoulement de cisaillement lami- naire pur en dessous du nombre critique de Taylor, une augmentation de la vitesse de rotation rend l'écoulement instable et des tourbil- lons dits de Taylor se forment et provoquent un écoulement secondaire qui empeche pour une grande part, et de fanon opportune, une prise en masse par cuisson du liquide, surtout pendant un traitement de stérilisation. Si la vitesse de rotation augmente encore, la turbulence prend naissance.Ceci est également un phénomène souhaité pour de nombreuses applications car la viscosité apparente et par suite l'élé- vation de température par frottement intérieur sren trouvent augmentées L'invention se propose également d'améliorer le dispositif connu de sorte qu'un seul organe deentraînement soit necessaire tant pour l'organe de transport que pour celui qui induit l'élévation de température du liquide à traiter. Selon l'invention, ces problèmes sont résolus par l'utilisation d'un rotor en forme de rouleau présentant deux parties terminales et une partie médiane, les surfaces latérales des deux parties terminales au moins portant un filetage de transport. Ainsi les parties terminales du rotor fonctionnent en premier lieu comme des pompes vis alors que la partie médiane du rotor n'est destinée et n'est appropriée qu'à l'échauffement du liquide à traiter. Ceci présente l'avantage qu' un seul organe d'entraînement est nécessaire aussi bien pour les deux pompes à vis que pour la partie médiane du rotor.En outre,les deux pompes à vis remplissent à la fois deux fonctions : ce sont d'une part des organes de transport et d'augmentation de pression, et d'autre part, elles contribuent dans une certaine mesure à l'élévation de la température du liquide par préchauffage. D'autres avantages du dispositif selon l'invention par rapport à l'état de la technique résident dans l'autonettoyage, ce qui se traduit par une augmentation de la durée de fonctionnement par rapport aux temps de repos provoqués par les nécessaires opérations de nettoyage. Du fait de la disposition symétrique, aucun problème d'étant chéité ne se pose au niveau de l'évacuation où règnent les plus hautes pressions et températures. Malgré ces avantages d'une installation à double courant, des installations à courant unique sont évidemment également possibles. Le dispositif selon l'invention est également approprié au chauffage de substances à haute viscosité. L'échauffement de liquides par les méthodes traditionnelles se présente de façon difficile dans la mesure où, à cause de l'impossibilité de quitter l'état laminaire et de la mauvaise conductibilité de ces substances, on ne peut obtenir qu'un transfert de chaleur insuffisant, avec pour conséquence un échauffement non uniforme c'est-à-dire non constant dans l'espace et par suite non satisfaisant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le filetage de transport des parties terminales du rotor est de section triangulaire. Dans une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention, la surface latérale de la partie médiane du rotor porte également un filetage. Avantageusement, ce filetage de la partie médiane est de section carrée. Les espaces annulaires aux deux extrémités de la partie médiane du rotor sont reliées entre elles par au moins une conduite d'éga lisation de pression. Avantageusement, au voisinage du milieu du manchon cylindrique du tambour est ménagée une rainure dans laquelle débouche la conduite d'évacuation pour le liquide traité. La rainure a une forme en spirale, une languette de déflexion étant prévue du coté de l'évacuation. Sur la partie médiane du rotor est monté un anneau flottant qui coopère avec la rainure. Dans les deux conduites d'alimentation et la conduite d'évacua- tion sont disposés des organes de commande tels que des vannes qui permettent de faire varier la durée de transit du liquide à traiter dans le dispositif. Par la modification de la durée de transit, la température du liquide peut être variée en conséquence. D'autre part la durée de transit peut aussi etre ajustée dans de larges limites indépendamment de la température. D'autres possibilités de réglage résident aussi dans la variation de la vitesse de rotation du rotor, le débit en liquide, l'épaisseur de espace en fente annulaire et la possibilité de faire varier cette epaisseurD en fonctionnement, par influence de la température sur le tambour du dispositif.Tous ces paramètres de réglage sent en relation étroite avec la viscosité dynamique du liquide à chauffer ou l'état de l'écoulement décrit plus haut, Quelques exemples dssexécution du dispositif pour le chauffage de liquides selon l'invention sont maintenant décrits un peu plus en détail en regard des figures qui sont des illustrations purement schématiques:: - la figure 1 est une vue en coupe partielle dune première forme d'exécution du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une coupe verticale par le plan II - II de la figurel, - la figure 3 une coupe partielle agrandie d'une seconde forme d'exécution de l'invention, - la figure 4 une coupe verticale partielle d'une autre forme d'exécution conforme à l'invention, - la figure 5 une coupe verticale par le plan V-V de la figure 4, - la figure 6 est une coupe longitudinale d'une quatrième forme d'exécution de l'invention. Le dispositif pour le chauffage de liquides en particulier alimentaires en vue de leur pasteurisation, stérilisation, ou similaires, se compose d'un manchon cylindrique 1,2 appartenant à un bâti en tambour, ce manchon 1,2 étant avantageusement constitué de deux parties. Aux deux extrémités du manchon cylindriquel,2 se trouvent des parties terminales 3,4 en forme de flasques, qui avec les deux parties 1,2 délimitent une chambre dans laquelle un rotor peut tourner sur des paliers. Ce rotor à la forme d'un rouleau et définit avec le manchon cylindrique 1,2 un espace en fente annulaire 5 dans lequel le liquide à traiter est amené aux extrémités du manchon 1,2 par deux conduites 6,7. Dans ces deux conduites d'alimentation 6,7 sont disposés des organes de commande sous la forme de vannes d'étranglement 8,9. le rotor se présente,dans la forme d'exécution représentée à la figure 1,comme un rouleau ayant deux parties terminales 10,11 et une partie médiane 12, les surfaces latérales des deux parties terminales 10,11 portant un filetage de transport. Ce filetage des parties terminales 10,11 est avantageusement à section triangulaire. L'inventio-n ne se limite cependant aucunement à cette forme particulière d'exécution. La surface latérale de la partie médiane 12 du rotor, au contraire, est dans cette forme d'exécution entièrement lisse. Les espaces annulaires aux deux extrémités de la partie médiane 12 du rotor sont reliés entre eux par au moins une conduite 13 d'éga- lisation de pression. Au voisinage du milieu du manchon cylindrique 1,2 se trouve une rainure 14 qui dans la forme d'exécution représentée à la figure 1 est annulaire Dans cette rainure 14 débouche une conduite d'évacuation 15 pour le liquide traité et dans laquelle un organe de commande sous forme de vanne d'étranglement est monté. Le rotor est à ses deux extrémités supporté dans des paliers 17, 18 au moyen de portées correspondantes. Le mouvement de rotation est transmis au rotor à partir d'un moteur d'entratnement 19. La forme d'exécution représentée à la figure 3 se distingue de celle des figures 1 et 2 essentiellement par le fait que la surface latérale de la partie médiane 12 porte un filetage et plus précisément un filetage carré spécialement adapté au traitement de liquides à haute viscosité. La partie médiane 12 du rotor portant le filetage carré représente, par rapport à un filetage triangulaire, une pompe de mauvaise performance et donc à haut développement de chaleur. La référence 20 désigne un organe d'étanchéité formé par un anneau creux qui peut être évacué par une conduite 21. Cet organe d'étanchéité 20 remplit sa fonction seulement pendant l'arret ou le dé-marrage du rotor. Lorsqu'une vitesse de rotation déterminée est atteinte, l'organe d'étanchéité 20 est évacué par la conduite 21, si bien que celui-ci se rétracte, l'étanchéité étant alors assurée par l'effet d'aspiration produit par les filetages de transport prolongés par les rainures annulaires d'alimentation. La référence 22 désigne des conduites de nettoyage par lesquelles des liquides de nettoyage peuvent être amenés dans le tambour. Dans l'exécution selon les figures 4 et 5, la rainure 23 présente une forme en spirale, une languette de déflexion 24 etant -prévue du coté de l'évacuationv cette solution paraissant appropriée dans des cas détermines. Un anneau flottant, monté sur la partie médiane 12 du rotor coo- père avec la rainure 23. Cet anneau flottant a de l'importance pour la stabilité pendant le fonctionnement de l'installationO A la figure 6 est représenté un autre exemple dsearecutiom du dispositif et pour lequel les mêmes organes sont désignés par les me- mes références qu'aux figures précédentes Dans le manchon constitué des deux parties 3,2, les parois intérieures sont inclinées, de meme que les parties terminales 10,11 et médiane 12 du rotor, de manière a former un espace en fente annulaire conique, l'angle qu entre l'axe du dispositif et les parois du manchon étant de quelques degrés par exem- ple 3G. La surface latérale d rotor est parallèle aux parois intérieures du manchon si bien que ltépaisseur de l'espace an fente annulaire 5 reste constante le rotor est de part est d'autre centré et supporté dans des paliers 17,18 montés dans les parties terminales 3 et 4 du manchon.Entre la partie terminale 3 et celle 1 du manchon, de meme qu'entre la partie terminale 4 et celle 2 du manchon sont interposées plusieurs bagues d'écartement en deux pièces 27,28. les bagues dlécar- tement sont constituées par l'assemblage de deux tôles demi-circulaires Les bagues d'écartement 27,28 et les extrémitésdes parties i et 2 du manchon reposent sur des portées 29,30 des parties terminales 3 et 4 Entre ces portées et le manchon peut etre prévu ici un dispositif d'étanchéité non représenté. Avec la disposition représentée, l'épaisseur de l'espace en fente annulaire 5 entre le rotor et la paroi interne du manchon peut être ajustée par suppression ou adjonction de bagues d'écartement 27,28, ce qui déplace le manchon 1,2 par rapport au rotor 12 en direction axiale. Ce déplacement peut être également obtenu au moyen de vis de réglage 26 prévues dans la partie terminale 4 et vissées dans la para tie 2 du manchon. En faisant tourner ces vis, le manchon 1,2 peut de meme être déplacé longitudinalement pour agrandir ou diminuer l'épais seur de l'espace en fente annulaire 5. En plus de ce réglage, les bagues d'écartement déjà décrites peuvent encore être utilisées comme précédemment décrit. Les dimensions de l'espace en fente annulaire 5 peuvent ainsi varier sans que la capacité de fonctionnement des ouvertures d'aiimentation, évacuation ou égalisation de pression en soit affectée. Le mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention va être expliqué plus en détail en référence à la figure 1. Le liquide à traiter, par exemple à pasteuriser ou stériliser, tel que du lait, est acheminé dans l'espace en fente annulaire 5 par les conduites 6,7. Les deux parties terminales 10, 11 du rotor, porteuses d' un filetage assurent le transport du liquide dans l'espace en fente annulaire 5 en direction de la rainure 14. Pendant ce transport du liquide par les parties terminales 10,11 du rotor dans l'espace en fente annulaire 5, ce liquide est partiellement réchauffé. De la chaleur supplémentaire est transmise au liquide pendant son transport dans l'espace en fente annulaire 5 qui entoure la partie médiane lisse 12. L'échauffement du liquide se fait principalement par frottement intérieur.Une petite partie de l'échauffement du liquide à l'état stationnaire de fonctionnement de l'installation peut être produite par transfert de chaleur depuis les organes de machine qui se trouvent à température de fonctionnement vers le liquide encore froid. Le liquide chauffé est alors évacué par la canalisation d'évacuation 15. La durée de séjour et transit dans l'espace en fente annulaire 5 ainsi que la température à atteindre pendant la mise en marche de l'installation peuvent être ajustées par la modification correspondante des paramètres, par exemple l'épaisseur de l'espace en fente annulaire, le réchauffement ou le refroidissement du tambour, la variation de la vitesse de rotation du rotor et, avec elle, celle du débit du liquide. Pour les liquides à haute viscosité, la partie médiane, lisse en règle générale, est pourvue pour faciliter le processus de transit port, d'un filetage carré,respectivement à gauche, et à droite. Par l'amenée du liquide à traiter aux deux extrémités du manchon cylindrique 1,2, les forces axiales qui prennent naissance se compensent de sorte qu'il est possible de se passer de paliers axiaux. Il est prévu dans le cadre de l'invention d'adjoindre au rotor un homogénéiseur de lait. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour le chauffage de liquides, notamment alimentaires, en vue de leur pasteurisation, stérilisation ou autre, au moyen d'un rotor susceptible de rotation dans un manchon cylindrique d'un tambour, ce rotor définissant avec le tambour un espace en fente annulaire dans lequel le liquide à traiter est amené au voisinage des deux extrémités du manchon, le liquide chauffé par frottement intérieur étant évacué au voisinage du milieu du tambour, caractérisé par le fait que le rotor présente la forme d'un rouleau avec deux parties terminales (10,11) et une partie médiane (12), et que les surfaces latérales des deux parties terminales (10,11) au moins sont pourvues d'un filetage de transport. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le filetage de transport des deux parties terminales (10,11) du rotor est de section triangulaire. 3/ Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que la surface latérale de la partié médiane (12) du rotor porte un filetage. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le filetage de la partie médiane (12) du rotor est à section carrée. 5/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la partie médiane (12) du rotor est limitée par des rainures définissant des espaces annulaires, ceux-ci étant reliés entre eux par au moins une conduite(13) d'égalisation de pres- sion. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu' au voisinage du milieu du manchon cylindrique (1,2) du tambour se trouve une rainure (14,23) dans laquelle débouche une conduite dléva- cuation (15) pour le liquide traité. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la rainure (23) est en forme de spirale et présente du coté de lléva cuation une languette de déflexion (24). 8| Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que sur la partie médiane (12) du rotor est monté un anneau flottant (25) qui coopère avec la rainure(23). 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que dans les deux conduites d'alimentation (6,7) et la conduite d'évacuation (15) pour le liquide traité sont prévus des organes de commande, en particulier des vannes d'étrangle ment (8,9,10). 10/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'état de l'écoulement dans l'espace annulaire peut être adapté de façon optimale par l'ajustement de paramètres de construction ou de fonctionnement, comme par exemple l'épaisseur de espace en fente annulaire, le débit, la vitesse de rotation du rotor, et autres, en fonction de l'élévation de température souhaitée pour le liquide. 11/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le rotor (11,12) est cylindrique et que la paroi intérieure du manchon (1,2) est adaptée à cette forme cylindrique pour l'obtention d'un espace annulaire d'épaisseur constante. 12/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le rotor présente une forme extérieure tronconique et que la paroi intérieure du manchon (1,2) est adaptée à cette forme. 13/ Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le manchon (1,2) et le rotor (11,12) peuvent être ajustés en position l'un par rapport à.l'autre longitudinalement dans la direction de l'axe du tronc de cône pour faire varier l'espace en fente annulaire(5). 14/ Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que des moyens (26,27,28) permettent de déplacer le manchon (1,2) par rapport au rotor (11,12).