Brevet FR2495301A1 — publié le 19820604

DISPOSITIF POUR LE CHAUFFAGE OU LE REFRC IDISSEMENT DE PRODUITS VISQUEUX La présente invention concerne un dispositif permettant d'assurer le chauffage ou le refroidissement de produits visqueux (ou pâteux) tels que par exemple des émulsions ou crèmes cosmetologiques, pharmaceutiques, alimentaires ou similaires... Dans la suite de la description, le dispositif conforme à l'invention sera désigné par l'expression "échangeur de cha leur". Les échangeurs de chaleur classiques, tubulaires ou à plaques, utilisés lors du processus de fabrication des produits du type précité sont des appareils volumineux, complexes et couteux à fabriquer. En effet, pour de tels produits, la vitesse de fluide à la paroi est faible, voire nulle, et le coefficient de transfert est donc faible. Par suite, pour obtenir un bon transfert de chaleur, il a été proposé d'agiter le produit et également de racler les surfaces de l'échangeur de chaleur pour éviter la formation d'un film sur ses parois, film qui ralentirait l'échange thermique. Une solution qui donne de bons résultats consiste à utiliser un échangeur de chaleur constitué d'une pluralité de chambres tubulaires, coaxiales, fixes, dans les parois desquelles circule le fluide thermique. le produit est amené entre ces chambres et il est soumis à une agitation au moyen d'organes rotatifs qui servent également à racler la surface des parois afin de renouveler la couche en contact. Ces échangeurs de chaleur présentent cependant un certain nombre d'inconvénients par le fait qu'ils sont de conception relativement complexe donc chers et délicats à réaliser et que, par ailleurs, l'organe servant au brassage et au raclage des parois s'use rapidement. Ils sont en outre difficiles à nettoyer et présentent des pertes de charge relativement ipor- tantes. Or, on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la pré- sente invention, un nouveau type d'échangeur de chaleur qui, non seulement surmonte les inconvénients des échangeurs anterieurs connus mais, par ailleurs, permet d'auG,enter dans de grandes proportions à la fois à la surface c'",a anee- > et le coefficient de transfert et ce pour un encombrement équivalent. D'une manière générale, l'invention concerne donc un nouveau type d'échangeur de chaleur comprenant une chambre à l'in- térieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est agité, cet échangeur étant caractérisé par le fait que ladi- te chambre est constituée par l'espace annulaire compris entre un stator et Ü rotor, disposés coaxialement, et qui - d'une part, sont à double parois pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur chauffant ou refroidissant, - d'autre part, sont chacun dotés de lignes d'ailettes alternées, inclinées par rapport à l'axe général de la machine, ces ailettes étant usinées pour ne laisser qu'un jeu très fai Sle entre leurs extrémités libres et le corps (stator ou rotor) qui leur fait face. Avantageusement, les ailettes précitées sont soumises à l'action du fluide caloporteur circulant entre les parois du rotor et du stator ce qui permet d'améliorer encore le transfert de chaleur. Dans ce cas, les ailettes occupent de préférence toute la hauteur comprise entre les deux parois du rotor et du stator. Pour ameliorer encore le transfert de cette chaleur, il pourrait être envisagé de réaliser des ailettes creuses, le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ces ailettes. I1 faut noter qu'un tel mode de réalisation permet d'ac célérer l'échange thermique car, du fait du faible jeu compris entre l'extrémité des ailettes et le corps statorique ou rotorique en regard, il se produit, lorsque le rotor tourne, un mouvement tourbillonnaire du produit et le renouvellement de -la couche limite à la paroi. L'orientation des ailettes con- juguée avec le sens de rotation du rotor permet d'cbtenir un effet de pompage et la circulation du produit. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront ce enfant rieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif rais non limitatif et cui est il lustré par les schémas annexes dans lesquels : - la figure 1 est une -rne e coupe longitudinale d'un ecrngeur ce chaleur réalisé conformément à l'invention, - la fIgure 2 est une cemi-vue, en coupe transversale selon l'axe AA de la figure 1. Si l'on se reporte aux figurés annexées, l'échangeur thermique conforme à l'invention comprend essentiellement une chambre 1 à l'intérieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est brassé. Conformément à l'invention, ladite chambre 1 est constituée par l'espace annulaire compris entre un stator 2 et un rotor 3 montés coaxialement sur un arbre 4. Le stator 2 et le rotor 3 sont à double parois afin de permettre la circulation d'un fluide caloporteur entre cês parois. Par ailleurs, le stator 2 et le rotor 3 sont chacun dotés de lignes d'ailettes 5, 6 alternées, seules quelques-unes de ces ailettes étant représentées par mesure de simplification à la figure 1, ces ailettes étant inclinées par rapport à l'axe général de la machine. Elles sont usinées pour ne laisser qu'un jeu très faible entre leurs extrémités libres 7, 8 et le corps qui leur fait face. Le produit à traiter thermiquement est introduit dans la chambre 1 par un conduit 9 relié à une source d'alimentation et est évacué par le second conduit 10 disposé à l'autre extrémité de l'échangeur thermique. Dans le mode de réalisation illustré par les schémas an nexés, le fluide caloporteur est amené par deux circuits différents à l'intérieur des parois du rotor 3 et du stator 2. Cette circulation du fluide caloporteur s'effectue de préférence à contre-courant du sens de progression de la matière. La circulation du fluide caloporteur à l'intérieur du stator 2 est obtenue par l'intermédiaire d'un conduit 11 débouchant a l'intérieur de l'espace compris entre les parois de ce stator et le fluide étant évacué par un conduit 12'disposé de l'autre coté de la machine. Pour obtenir la circulation du fluide thermique à l'inte- rieur du rotor 3, les extrémités 13, 14 de ce rotor comportent des canaux, désignés par la référence unique 15, qui débouchent a l'intérieur de l'axe creux 4 et entre les parois du stator 3. Le fluide caloporteur est introduit dans l'axe creux 4 par l'intermédiaire d'un tube interne 16. Un élément d'étanchéité 17 est prévu autour de ce tube 16 pour éviter le retour du fluide caloporteur. Le fluide s'écoule donc à l'intérieur de l'axe creux 4,passe dans les conduits 15, traverse l'espace compris entre les parois du stator 3, à contre-courant du sens d'avance de la matière, et est évacué par l'espace compris entre le tube 16 et l'axe 4. Afin d'avoir un bon échange thermique assuré par une agitation et un renouvellement de la couche limite à la paroi ainsi qu'un effet de pompage, le dispositif conforme à l'invention comporte une pluralité d'ailettes, les unes 5 fixées sur le rotor 3, les autres 6 fixées sur le stator 2. Ces ailettes sont disposées en alternance et leurs estrémifXs libres 7, 8 viennent à proximité de la face (rotor ou stator) située en regard de façon a ne laisser qu'un très faible jeu. Ces ailettes 5, 6 sont inclinées par rapport à l'axe longitudinal de l'échangeur de manière à provoquer une poussée sur la matière. Avantageusement, quatre séries d'ailettes sont prévues, diame- tralement opposées, sur le rotor et le stator. Lorsque le rotor 3 tourne, ce mouvement et le faible jeu compris entre l'extrémité des ailettes et le corps statorique ou rotorique en regard entrainent un mouvement turbulent du produit à l'intérieur de la chambre et le renouvellement de la couche limite d la paroi. L'orientation des ailettes, conjuguée avec le sens de rotation du rotor 3 permet d'obtenir un effet de pompage. De préférence, ainsi que cela est représenté aux schémas annexés, les ailettes 5, 6 sont également prolongées à l'intérieur de l'espace compris entre les parois du stator et du rotor et sont donc'directement soumises à l'action du fluide caloporteur. On comprend donc facilement que, dans ce mode de réalisation, l'échange thermique est encore amélioré. Par rapport aux dispositifs antérieurs un tel échangeur de chaleur permet non seulement le transfert thermique dans des produits à très fortes viscosités mais assure également une très grande surface d'échange donc un transfert thermique important dans un faible volume. En effet, à titre comparatif, pour un échangeur de chaleur conventionnel comportant deux chambres tubulaires fixes, une interne ayant un diamètre de 100 millimètres et une externe ayant un diamètre de 200 millimètres, la longueur de l'ensemble étant de 1000 millimètres, on aurait une surface de contact d'environ 1 m2. En réalisant un échangeur de chaleur conforme à l'invention dont le rotor 3 et le stator 2 ont les mêmes dimensions que les chambres précitées mais qui comporte, quatre séries d'ai lettes d'une surface totale d'environ.0,5 m2, m2, la surface tota- le de contact avec la matière sera non pas d'environ 1 m2 mais de 1,5 m2. Cette simple comparaison montre bien les avantages apportés par le dispositif conforme à l'invention. Un tel échangeur de chaleur sera bien entendu réalisé à partir de matériaux permettant une bonne transmission des calories par exemple, à partir de tous types d'acier répondant aux normes de qualite alimentaire, cosmétologique, ou pharmaceutique. I1 peut être conçu pour réaliser en ligne ou en recyclage sur cuves des phases de chauffage ou refroidissement de tous produits visqueux même fragiles comme des mulsions ou des crèmes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation donné précédemment mais elle en couvre également toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi,il pourrait être envisagé de réaliser un échangeur de chaleur comportant non pas seulement un rotor et un stator mais, par exemple, quatre éléments différents formant alternativement rotor et stator. REVENDICATIONS r 1/ Echangeur de chaleur comprenant une chambre (1) à l'in térieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est agité caractérisé par le fait que ladite chambre (1) est cons tituée par l'espace annulaire compris entre un stator (2) et un rotor (3) coaxiaux et qui - d'une part, sont à double parois pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur chauffant ou refroidissant, - d'autre part, sont chacun dotés de lignes d'ailettes alternées (5), (6) inclinées par rapport à l'axe général de la machine,ces ailettes (5), (6) étant usinées pour ne laisser qu'un jeu très faible entre leurs extrémités libres (7) , (8) et le corps (stator ou rotor) qui leur fait face. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac térisé par le fait que les ailettes (5), (6) sont soumises à l'action d'un fluide caloporteur circulant entre les parois du stator (2) et du rotor (3). 3/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le fluide caloporteur est amené par deux circuits différents à l'intérieur des parois du rotor (3) et du stator (2), la circulation dudit fluide caloporteur s'effectuant à contre-courant du sens de progression de la matière.