Brevet FR2506443A3 — publié le 19821126

FR 2506443 A3 19821126 FR 8110231 A 19810522 La présente invention se rapporte au domaine de la technique de chaleur industrielle et, plus précisément, aux appareils d'échange thermique centrifuges à film liquide. L'invention peut être utilisée, avec le plus d'efficacite, dans les industries alimentaire, pharmaceutique, chimique et autres, par exemple, pour évaporer, chauffer ou refroidir des produits thermosensibles, visqueux et formant du tartre. En outre, l'invention peut être utilisée pour traiter des produits liquides dans les conditions de la non-pesanteur. On peut diviser les appareils d'échange thermique cen cr-fuge3 deux catégories : appareils avec éléments échan- geurs creux en disques et appareils avec éléments échangeurs creux coniques. Il est cependant préférable d'utiliser les appareils d'échange thermique centrifuges à film liquide avec éléments échangeurs coniques du fait que les éléments échangeurs coni quels ayant le meme diametre que les éléments échangeurs en disques présentent, par rapport a' ces derniers, une surface d'échange de chaleur plus importante et possèdent une résistance mécanique plus élevée. On connaît un appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide (voir le brevet d'invention de L'URUS NO 295234) comprenant un réservoir logeant un rotor formé par des éléments en tronc de cane creux reliés entre eux par une chemise entourant les grandes bases desdits éléments échangeurs dont les cavités, de même que les espaces entre ces derniers, sont reliés entre eux par des canaux d'amenée de vapeur de chauffage, d'évacuation de condensat et d'évacuation de produit traité respectivement, ledit appareil comprenant également des tuyères qui sont installées à côté des petites bases des éléments échangeurs coniques Les tuyères susmentionnées sont orientées vers les surfaces intérieures des éléments échangeurs coniques et servent à amener, sur lesdites surfaces, un produit à traiter. Malgré le fait que cet appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide est, sans aucun doute, un pas en avant dans le domaine de la technique de chaleur industrielle il présente, tout comme les autres appareils de cette catégorie, un inconvénient. Cet inconvénient réside dans le fait que ce ne sont que les surfaces intérieures d'éléments échangeurs coniques, contre lesquelles est pressé, par les forces centrifuges, un liquide à traiter, qui sont utilisées. La surface extérieure des éléments échangeurs coniques ne participe pas aux processus d'échange thermique car les forces centrifuges, créées par la rotation du rotor de l'appareil, sont dirigées,par rapport à la surface extérieure de manière à arracher ou à rejeter tous les objets qui se trouvent sur cette surface. Pour cette raison, la surface extérieure d'un élément échangeur conique ne sert que pour séparer la vapeur de chauffage du milieu de vapeur (de gaz) qui est en contact avec un produit traité. Cet inconvénient provoque des dépenses de métal injustifiées pour la fabrication de l'asppareil d'échange thermique et ne permet pas d'utiliser complètement les possibilités de l'appareil, ctest-à-dire le rendement réel est pratiquement inférieur de deux fois par rapport à celui qu'on pourrait attendre, en partant de l'importance des surfaces existantes. L'invention vise à créer un appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide qui, ayant le même encombrement et exigeant la méme quantité de métal pour sa fabrication que les appareils connus de la même catégorie, possède un rendement plus élevé gracie à l'adaptation de la surface extérieure des éléments échangeurs coniques au processus d'échange thermique de l'appareil. Le problème posé est résolu à laide d'un appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide, du type comprenant un réservoir logeant un rotor formé par des éléments en tronc de cône creux reliés entre eux par une chemise an nulaire entourant les grandes bases des éléments échangeurs dont les cavités, de même que les espaces entre eux, sont reliés par des canaux d'amenée de vapeur de chauffage, d'évacuation de condensat et de sortie de produit traité, ledit appareil comprenant également des tuyères installées à côté de petites bases des éléments échangeurs coniques et servant à amener le produit à traiter sur les surfaces intérieures des éléments échangeurs coniques, lequel appareil est caractérisé, selon l'invention, en ce que la surface extérieure des éléments échangeurs coniques est réalisée d'une manière telle que la tangente à chaque point de la génératrice de la surface susmentionnée forme avec l'axe géométrique de rotation du rotor un angle augmentant à mesure de l'augmentation du rayon de position du point sur cette génératrice, ledit appareil comprenant, en outre, des dispositifs d'amenée du produit à traiter sur les surfaces extérieures des éléments échangeurs coniques. Cette conception de la surface extérieure des éléments coniques du rotor de l'appareil permet d'animer le produit liquide traité d'un mouvement sur cette surface sans ce qu'il soit arraché de cette dernière, ce qui permet d'utiliser les surfaces extérieures d'éléments échangeurs en qualité de surfaces travaillantes et, de ce fait, d'augmenter le rendement de l'appareil pratiquement de plus de deux fois. I1 est possible de réaliser la surface extérieure de chaque élément échangeur d'une manière telle que la génératrice de cette surface soit curviligne. Cette surface est optimale pour le mouvement d'un film formé par le produit liquide traité. I1 est rationnel de réaliser la surface extérieure de chaque élément échangeur conique d'une manière telle que la génératrice de cette surface soit en forme d'une ligne poly gonade. L'élément échangeur conique, ayant une telle génératrice n'exige pas d'équipement spécial pour sa fabrication et peut eAtre réalisé en pièces séparées jointes, par exemple, par soudage. Il est rationnel de réaliser le dispositif d'amenée du produit liquide à traiter sur la surface extérieure de chaque élément échangeur en forme d'un collecteur annulaire présentant des tuyères arrangées de manière régulière suivant sa périphérie. Ce dispositif n'exige pas de positionnement précis par rapport à l'axe de rotation du rotor formé par les éléments échangeurs coniques. Il est rationnel de réaliser le dispositif d'amenée du produit liquide à traiter sur la surface extérieure de chaque élément échangeur conique à l'aide d'au moins une tuyère et d'un seuil annulaire disposé à côté de la petite base de chaque élément conique, sur la surface extérieure de ce dernier. Cette conception du dispositif permet de réaliser la tuyère d'un diamètre relativement important ce qui exclut la possibilité de colmatage de l'orifice de la tuyère par des inclusions solides du produit traité. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumi ère de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une vue générale avec coupe partielle d'un appareil d'échange thermique selon un mode de réalisation, caractérisé en ce que la surface extérieure d'éléments coniques présente une génératrice curviligne, et du dispositif d'amenée du liquide traité, selon un autre mode, en forme d'un collecteur annulaire - la Fig. 2 représente schématiquement un élément échangeur conforme à un autre mode de réalisation et présentant une surface extérieure à génératrice polygonale - la Fig. 3 est une vue schématique et partielle d'un élément échangeur conique et d'un dispositif d'amenée du produit traité, conforme à un autre mode de réalisation. L'appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide comprend un réservoir 1 avec des couvercles 2 et 3 et une tubulure 4 pour la sortie de la vapeur de décharge. Le réservoir 1 loge un rotor S adapté à la rotation. Le rotor 5 est formé par des éléments échangeurs creux 6 en forme de troncs de connes. Chaque élément échangeur présente une surface extérieure 7 et une surface intérieure 8. A côté des petites bases des éléments échangeurs coniques 6 sont disposées des parois annulaires 9. Les grandes bases des éléments échangeurs coniques 6 sont reliées par une chemise 10 munie de canaux axiaux 11, 12 et radiaux 13, 14. Les canaux radiaux 13 sont reliés aux canaux axiaux 11 pour assurer une liaison entre toutes les cavités intérieures des éléments échangeurs coniques 6. Les canaux radiaux 14 sont reliés aux canaux axiaux 12 pour assurer une liaison des espaces entre les éléments échangeurs coniques 6 du rotor 5. Un bout du rotor 5, vers lequel sont orientés les sommets tronqués des éléments échangeurs coniques 6, porte une bague conique 15 dont la surface intérieure forme, avec la surface extérieure 7 de l'élément échangeur extrême 6, une poche 15' pour recevoir le produit traité. Un tube 16 est introduit dans le réservoir 1 et y est fixé à demeure, le bout initial de ce dernier étant disposé dans la poche 15', comme il est montré à la figure 1. L'autre extrémité du rotor 5 porte une chambre de vapeur 17 qui est formée par des gaines 18 et 19 ayant la forme de canes tronqués. La surface conique de la gaine 18 correspond à la forme de la surface extérieure de l'élément échangeur conique 6, mais le sommet tronqué de cette gaine est hermétiquement obturé par une gaine plate 20. La grande base de la gaine conique 19 est entourée de la poche 10. La gaine conique 19 présente, suivant sa périphérie, une saillie annulaire 21 formant une poche annulaire 21' à l'intérieur de la chambre à vapeur. A la petite base de la gaine conique 19 est fixé un arbre creux 22. L'arbore creux 22 est installé dans un organe à paliers 23 monté sur le couvercle 3.Un tube 24 courbé est introduit à l'intérieur de la chambre de vapeur 17, un bout de ce tube étant disposé dans la poche annulaire 21w Comme il est montré sur la figure'l, les canaux axiaux 11 sont obturés, à une des extrémités, par une saillie annulaire 25 de la chemise 10 tandis que le canal axial 12 est obturé, à l'extrémité opposée, par une saillie annulaire 26. Pour amener un produit liquide à traiter, l'appareil est muni d'un conduit axial 27, doté d'un régulateur 28 de débit, et d'une tuyère 29 pour amener ce produit sur les surfaces intérieures 8 d'éléments échangeurs coniques 6. Selon l'invention, la surface extérieure 7 (Fig.1,2) des éléments échangeurs coniques 6 est réalisée d'une manière telle que la tangente à chaque point forme, avec l'axe géométrique du rotor 5, un angle d qui croît à mesure de l'augmentation du rayon de position du point sur la génératrice. Comme on voit à la figure 2, l'angle A) et ainsi de suite et, respectivement, R > R1 7 R2 et ainsi de suite. L'appareil est également muni d'un dispositif 30 d'amenée du produit liquide à traiter sur les surfaces extérieures 7 des éléments échangeurs coniques 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément échangeur conique 6 (figure 1) est réalisé d'une manière telle que sa génératrice est curviligne. Selon un autre mode de réalisation, l'élément échangeur conique 6 (figure 2) est réalisé d'une manière telle que sa génératrice est polygonale. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'amenée du produit liquide à traiter sur la surface extérieure conique 7 de chaque élément échangeur 6 se présente sous forme d'un collecteur annulaire 30 muni de tuyères 31 disposées régulièrement suivant sa périphérie. Chaque collecteur 30 est relié, en position respective, à un collecteur axial 32 portant un régulateur 33 de débit du produit liquide à traiter. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'amenée du produit liquide à traiter sur la surface extérieure de l'élément échangeur conique 6 (Fig.3) est formé par au moins une tuyère 34 et un seuil annulaire 35 disposé à côté de la petite base de l'élément conique 6 sur la surface extérieure de ce dernier, le seuil 35 présentant, en aval dans le sens d'écoulement du produit, une poche annulaire 35' et, en amont, une surface conique. L'appareil décrit fonctionne de la manière suivante. La vapeur de chauffage est amenée en continu, par l'arbre creux 22, dans la chambre de vapeur 17. De la chambre de vapeur, par les canaux axiaux 11 et à travers les canaux radiaux 13, la vapeur pénètre dans les cavités des éléments échangeurs coniques 6 et chauffe leurs surfaces 7 et 8. Le produit liquide à traiter est amené, par les collecteurs axiaux 27 et 32 dans les tuyères 29 et dans les collecteurs annulaires 30, c'est-à-dire dans les tuyères 31. Ensuite, le produit liquide est envoyé, par les tuyères 31 et 29, sur les surfaces extérieures 7 et intérieures 8, respectivement. Sous l'effet de la force centrifuge, le produit liquide traité, en se serrant contre la surface intérieure 8 d'élément conique 6, s'écoule vers la périphérie de ce dernier en un film régulier et continu. En même temps, le produit liquide arrivant sur la surface extérieure 8 d'élément échangeur conique 6 s'écoule en un film régulier et continu mouillant constamment la surface extérieure. Cela est possible grâce à la nouvelle forme de la surface extérieure 7 des éléments échangeurs coniques 6, qui est réalisée selon une des caractéristiques principales de l'invention. Tout en continuant à se déplacer sous l'effet de la force centrifuge, le produit liquide traité, arrive dans les canaux axiaux 12 par lesquels il monte en haut et arrive dans la poche 15'. De la poche 15', le produit traité, sous l'effet de la force centrifuge, est envoyé dans le tube 16 et quitte l'appareil. La vapeur de décharge, qui pénètre par les parois annul aires 9 des petites bases, quitte le réservoir 1 par la tubulure 4 Formé dans les cavités d'éléments échangeurs coniques 6, le condensat s'écoule sur les surfaces intérieures des cavités vers la périphérie des éléments échangeurs 6 et arrive, par les canaux radiaux 13 et les canaux axiaux 11, dans la poche collectrice 15'. Sous l'effet de la force centrifuge, l'eau entre dans le tube 24 et quitte l'appareil. Selon un mode de réalisation de l'appareil, le produit traité arrive, par le collecteur axial 32, dans la tuyère 34 qui envoie le produit liquide dans la poche 35 devant le seuil 35. L'excès du produit arrive sur la surface extérieure de l'élément conique 6 en dépassant le seuil 35 et en s'écoulant par la surface conique de ce dernier en un film régulier continu. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1 - Appareil d'échange thermique centrifuge à film liquide, du type comprenant un réservoir (1) logeant un rotor (5) formé par des éléments échangeurs en troncs de cônes creux (6) reliés entre eux par une chemise (10) entourant les grandes bases des éléments échangeurs dont les cavités, de même que les espaces entre eux, sont reliés par des canaux d'amenée de vapeur de chauffage, d'évacuation du condensat et de sortie du produit traité, ledit appareil comprenant également des tuyères installées à côté de petites bases des éléments échangeurs coniques et servant à amener un produit à traiter sur les surfaces intérieures des éléments échangeurs coniques, lequel appareil est caractérisé en ce que la surface extérieure (7) des éléments échangeurs coniques (6) est réalisée d'une manière telle qu'unie tangente â chaque point de la génératrice de la surface susmentionnée forme, avec l'axe géométrique du rotor, un angle - qui croît à mesure de l'augmentation du rayon de position du point sur cette génératrice, ledit appareil comprenant, en outre, des dispositifs d'amenée du produit à traiter sur les surfaces extérieures (7) des éléments échangeurs coniques (6). 2 - Appareil d'échange thermique centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice de la surface extérieure (7) de l'élément échangeur conique (6) est curviligne. 3 - Appareil d'échange thermique centrifuge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice de la surface extérieure (7) de l'élément échangeur conique (6) est polygonale. 4 - Appareil d'échange thermique selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque dispositif d'amenée du produit à traiter sur la surface extérieure (7) conique de chaque élément échangeur (6) est réalisé en forme d'un collecteur annulaire (30) avec des tuyères (31) disposées régulièrement. 5 - Appareil d'échange thermique centrifuge selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque dispositif d'amenée du produit à traiter sur la surface extérieure (7) de chaque élément conique (6) est formé par au moins une tuyère (34) et un seuil annulaire (35) installé à côté de la petite base de chaque élément conique sur la surface extérieure de ce dernier.