Brevet FR2526145A1 — publié le 19831104

La présente invention concerne un échangeur tubulaire pour l'échange de chaleur entre deux fluides1 destiné en particulier, mais non exclusivement, au refroidissement du lait par de l'eau froide. Elle concerne également une installation qui utilise un tel échangeur pour refroidir un fluide tel que du lait de traite des vaches avant d'être stocké dans une cuve refrigérée. Les installations de ce genre comprennent une pompe destinée à envoyer le lait provenant de la traite dans un échangeur thermique où le lait est refroidi, par échange thermique avec de l'eau froide circulant à contre-courant, avant d'être envoyé dans une cuve de stockage réfrigérée à environ 40C. On sait que le lait constitue une denrée alimentaire très fragile dans laquelle le développement microbien se multiplie d'une manière très importante entre la température de la traite de la vache, soit 370C, et la température de 10 C. I1 est donc essentiel que, dans les installations de ce genre, l'échangeur thermique puisse abaisser aussi rapidement que possible la température du lait de la traite en dessous de la température de 100C. En outre, il est impératif que le refroidissement du lait dans l'échangeur se fasse en douceur et sans produire ce que l'on appelle un "matraquage" du lait, c'est -dire un traitement brutal qui conduit à une lipolyse du lait. Cette lipolyse, oui est due à une pénétration d'air dans le lait, non seulement donne un goût de beurre rance au lait, mais aussi favorise le développement de spicotrophes dans le lait froid. Ceci revêt donc une importance déterminante si l'on considere qu'à l'heure actuelle plus de 90 % du lait trait à la ferme est réfrigéré à une température de 2 à 40C pour une durée de stockage de 48 heures et plus. Les échangeurs de chaleur utilisés actuellement pour le refroidissement du lait sont soit des échangeurs à plaques, soit des échangeurs tubulaires. Les échangeurs à plaques comprennent plusieurs plaques d'échange de chaleur, en acier inoxydable, qui permettent de refroidir un fluide, par exemple du lait, par écoulement alterné de ce fluide avec un autre fluide, par exemple de l'eau, de chaque coté des plaques de l'échangeur. Les échangeurs à plaques utilisent des plaques de forme complexe séparées entre elles par des joints d'étanchéité. Ces plaques forment des cavités et des recoins où peuvent se loger des saletés et obstruer ainsi l'échangeur. Il est donc obligatoire que les échangeurs à plaques soient équipés d'un filtre, ce qui est néfaste au lait, car toutes les particules retenues dans le filtre contaminent et ensemencent le lait et freinent aussi son passage. Les échangeurs à plaques sont démontables, ce qui permet de nettoyer les plaques, mais leur remontage après nettoyage n'est pas toujours aisé. I1 faut aussi noter que les échangeurs à plaques, du fait de leurs cavités et recoins, tendent à "matraquer" le lait, avec les conséquences néfastes qui en résultent. Les échangeurs tubulaires comprennent généralement deux tubes coaxiaux en acier inoxydable ; à savoir un tube intérieur pour le lait et un tube extérieur pour le passage de l'eau dans l'espace compris entre les deux tubes. Ces échangeurs présentent une configuration en épingle à cheveux et comprennent des tronçons droits de grande longueur (par exemple de 2,5 m à 3 m) reliés entre eux par des coudes. Pour maintenir un écartement constant des tubes coaxiaux dans les tronçons droits, il est nécessaire de prévoir des entretoises soudées entre les tubes. L'inconvénient principal de ces échangeurs tubulaires connus est que leur rendement chute très sensiblementen cours d'utilisation. En effet, du fait que ces échangeurs ne sont pas démontables, il n'est pas possible de décaper parfaitement l'extérieur du tube intérieur pour éliminer le tartre qui s'y dépose peu à peu et qui empêche un bon échange thermique entre l'eau et le lait. En outre ces échangeurs tubulaires créent un "matraquage" du lait au niveau des coudes du tube intérieur. La présente invention vise à éviter les inconvénients précités des échangeurs connus en proposant un échangeur tubulaire démontable, de structure très simple et régulière qui permet un bon échange thermique entre les deux fluides. Dans le cas où un tel échangeur tubulaire est utilisé pour le refroidissement du lait par de l'eau froide, il traite ce lait en douceur sans le "matraquer" et, du fait de sa structure régulière sans recoins ni cavités, il empêche que les saletés éventuelles ne puissent obstruer l'échangeur et ne nécessite donc pas l'emploi d'un filtre. Un autre avantage de l'échangeur de l'invention est qu'il peut être facilement démonté pour nettoyer la surface extérieure du tube intérieur et maintenir ainsi un bon échange thermique entre les deux fluides. L'installation de refroidissement du lait de l'invention, qui utilise un échangeur tubulaire selon l'invention, permet d'abaisser rapidement la température du lait de traite en dessous de lO0C sans "matraquer" le lait, ni le contaminer par d'éventuelles saletés entrainées dans le lait de traite. Elle permet également de récupérer, à la sortie de l'échangeur, de l'eau réchauffee pouvant êtee utilisée par exemple pour l'alimentation des animaux. Selon la caractéristique essentielle de l'échangeur tubulaire de l'invention, celui-ci comprend un tube intérieur en acier inoxydable, agencé en spirale et destiné à la circulation de l'un des fluides, par exemple du lait, et un tube extérieur en matière plastique souple, disposé autour du tube intérieur et destiné à la circulation à contrecourant de l'autre fluide, par exemple de l'eau, dans l'espace compris entre les deux tubes Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube intérieur et le tube extérieur sont cintrés simultanément en forme de spirale. L'installation de refroidissement du lait selon l'invention est du type comprenant une pompe apte à envoyer le lait de la traite dans un échangeur thermique où ce lait est refroidi par de l'eau froide avant d'être stocké dans une cuve réfrigérée, l'échangeur thermique étant alors constitué par un échangeur tubulaire tel qu'indiqué ci-dessus. Selon une autre caractéristique de l'installation, le lait est d'abord recueilli dans un récipient de transfert disposé en amont de la pompe à lait, ce récipient comprenant un détecteur de niveau haut et un détecteur de niveau bas pour commander respectivement la mise en marche et l'arrêt de la pompe à lait. Selon encore une autre caractéristique de cette installation, le volume en lait de l'échangeur tubulaire correspond sensiblement au volume en lait du récipient de transfert. L'échangeur tubulaire sera avantageusement disposé de telle sorte que le lait à refroidir parcourt celui-ci de haut en bas et ltéchangeur comprendra en outre une canalisation pour la remontée du lait, de manière à permettre une stagnation momentanée du lait dans l'échangeur. L'installation comprendra alors un programmateur apte à 'commander, pendant l'arrêt de la pompe à lait et la stagnation momentanée du lait dans l'échangeur, au moins une injection d'eau froide dans l'échangeur. Le programmateur peut piloter soit une électrovanne commandant l'arrivée d'eau froide dû secteur, soit une pompe à eau reliée à une réserve d'eau maintenue à niveau constant. Bien entendu, le programmateur pourra être réglé pour permettre, si on le désire, une circulation continue du lait et/ou de l'eau de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention résulteront de la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre illustratif, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de refroidissement de lait de traite selon l'invention - la figure 2 est une vue partielle de l'échangeur tubulaire de l'installation de la figure 1 - la figure 3 montre schématiquement la liaison des tubes intérieur et extérieur aux deux extrémites de l'échangeur tubulaire - la figure 4 représente, en position fermée, une vanne a papillon utilisée dans l'installation de la figure 1 ; et - la figure 5 représente, en position ouverte, la vanne de la figure 4. L'installation représentée sur la figure 1 comprend un récipient de transfert 10 destiné à recueillir le lait provenant de la traite des vaches, la température du lait étant d'environ 370C. Le lait contenu dans le récipient 10 est aspiré par une pompe 12, par exemple une pompe à palette, qui est disposée à un niveau inférieur à celui du ré cipient 10 et qui est reliée à ce dernier par une canalisa- tion 14. Le lait est envoyé par la pompe 12 dans une canalisation 16 qui aboutit à un échangeur tubulaire 18 où le lait est refroidi par échange avec de l'eau froide, avant d'être envoyé par une canalisation 20 dans une cuve de stockage 22 réfrigérée à une température de 2 à 40C. Comme représenté plus particulièrement à la figure 2, l'échangeur comprend un tube intérieur 24 en acier inoxydable de qualité alimentaire, agencé en spirale et destiné à la circulation du lait à refroidir, et un tube extérieur 26 en matière plastique souple, disposé autour d'un tube intérieur 24 et destiné à la circulation à contre-courant de l'eau de refroidissement dans l'espace compris entre les deux tubes. Le tube extérieur peut être constitué en toute matière plastique souple, apte à adopter la forme en spirale du tube intérieur qui est rigide, et de résistance suffisante pour résister à la pression de l'eau. Ce tube extérieur sera ainsi avantageusement réalisé en polyamide et pourra éventuellement comporter une armature intérieure de renforcement. Contrairement aux échangeurs tubulaires connus, l'échangeur tubulaire de l'invention ne nécessite pas d'entretoises entre les tubes intérieur et extérieur étant donné que la pression de l'eau crée automatiquement le centrage du tube extérieur souple par rapport au tube intérieur rigide qui se trouvent ainsi coaxiaux. Les tubes pourront avoir toute section appropriée en fonction des caractéristiques de l'installation consi dérée. On aura bien entendu avantage à utiliser un tube intérieur de faible épaisseur pour améliorer l'échange thermique. I1 faudra cependant tenir compte du fait que cette épaisseur permette un cintrage adéquat du tube à la forme en spirale désirée. A cet égard, on a trouvé de façon surprenante qu'il était souhaitable de cintrer simultanément le tube intérieur et le tube extérieur à la forme en spirale, car cela évitait tout risque de plissage du tube intérieur en acier inoxydable. Comme représenté sur la figure 3, l'une des extrémités 28 du tube 24 passe à travers une crosse 30 sur laquelle vient s'emmancher et se fixer par un collier 32 l'une des extrémités du tube 26. l'autre extrémité 34 du tube 24 est filetée pour être vissée dans un tube 36 de raccordement. Ce tube 36 passe à travers une crosse 38 analogue à la crosse 30, qui est destinée à recevoir l'autre extrémité du tube 26, qui est maintenue et fixée sur cette crosse par un collier 40. On peut ainsi démonter le tube de raccordement 36 et la crosse 38 pour enlever le tube extérieur 26 et procéder au nettoyage de la surface extérieure du tube 24. Le tube extérieur 26 peut être ensuite à nouveau emmanché autour du tube 24, la souplesse du tube 26 lui permettant de suivre la forme du tube 24. Comme représenté sur la figure 1, le récipient de transfert 10 comprend un détecteur 42 de niveau haut et un détecteur 44 de niveau bas aptes à commander respectivement la mise en marche et l'arrêt de la pompe 12, en sorte que cette derniere n'est actionnée qu'à partir du moment où le récipient 10 est plein jusqu'au moment ou il est pratiquement vide. Ceci permet d'envoyer le lait en discontinu dans l'échangeur 18. Le volume en lait de l'échangeur tubulaire 18 est déterminé pour correspondre sensiblement au volume en lait du récipient 10 en sorte que toute la quantité de lait contenue dans le récipient 10 et envoyée par la pompe 12 se retrouve dans l'échangeur 18 où elle subit alors un traitement de refroidissement. Comme représenté sur la figure 1, le lait parcourt l'échangeur 18 de haut en bas suivant un trajet en spirale et remonte ensuite par une canalisation 46 qui est elle même reliée à la canalisation 20. Ceci permet une stagnation momentanée du lait dans l'échangeur où il y subit un refroidissement par de l'eau froide. Le refroidissement sera effectué de préférence en discontinu, par une ou plusieurs injections d'eau froide dans l'échangeur, bien qu'un refroidissement continu entre également dans le cadre de l'invention. L'installation comprend à cet effet un programmateur 48 apte à commander, pendant l'arrêt de la pompe à lait 12 et la stagnation momentanée du lait dans l'échangeur, au moins une invention d'eau froide dans l'échangeur. Dans le cas où l'eau froide est de l'eau du secteur arrivant par une canalisation 50, le programmateur pilotera une électrovanne 52 montée sur cette canalisation. On aura toutefois avantage à utiliser de l'eau froide contenue dans une réserve extérieure 54, formant capacité tampon, et maintenue à un niveau constant par un robinet flotteur 56. Cette réserve pourra être disposée en plein nord pour être la plus froide possible. Dans'ce cas, le programmateur pilotera une pompe à eau 58 apte à amener l'eau de la réserve 54 dans l'échangeur 18 au moyen d'une canalisation 60. L'eau réchauffée recueillie à la sortie de l'échangeur 18 sera par exemple envoyée par une canalisation 62 à un abreuvoir 64 pour les animaux. On remarquera que l'installation ci-dessus ne nécessite pas de filtre pour le lait. Le lait réfrigéré contenu dans la cuve réfrigérée 22 sera prélevé au moyen d'um canne de prélèvement plongeant au fond de la cuve en sorte que les saletés éventuelles ne seront pas aspirées par cette canne. L'installation de la figure comprend en outre une vanne à papillon 66, disposee entre la pompe 12 et l'échan geur 18, dont le papillon 68 est pourvu d'une ouverture centrale 70 (cf. figure 4). Pendant le fonctionnement normal de l'installation pour le refroidissement du lait, la vanne sera maintenue en position ouverte (cf. figure 5). Pendant le fonctionnement de nettoyage de l'installation, la vanne sera maintenue en position fermée (cf. figure 4) de manière que l'étranglement créé par l'ouverture centrale 70 augmente la pression du liquide de lavage. En effet, cet étranglement n'est pas souhaitable en fonctionnement normal, car il risque alors de créer un "matraquage" du lait au niveau de l'étranglement. L'installation comprend en outre deux clapets de décompression 72 et 74 disposés respectivement au point le plus haut du circuit d'eau et au point le plus haut du circuit de lait pour empêcher le siphonnage des deux circuits. L'installation de la figure 1 permet de refroidir très rapidement le lait, de préférence en discontinu, le lait refroidi étant introduit ensuite dans la cuve réfrigérée, sans risque de provoquer une remontée de la température du lait de la cuve réfrigérée au-dessus de la température critique de lO6C. A titre d'exemple pour une duree de fonctionnement de la pompe d'une minute, et par conséquent une durée de stagnation correspondante du lait dans l'échangeur, on pourra effectuer plusieurs injections successives d'eau froide. Le programmateur pourra être réglé à volonté pour établir une circulation continue et/ou discontinue du lait et de l'eau. L'installation de l'invention permet de diminuer la consommation d'eau de refroidissement par rapport aux installations connues. L'eau de refroidissement proviendra de préférence d'une réserve d'eau extérieure ce qui permettra d'avoir de l'eau fraiche toute l'année et de l'eau glacée en période de grand froid. I1 en résultera alors un refroidissement instantané du lait à sa température de stockage finale. L'utilisation d'une réserve d'eau permet en outre de pallier le manque de pression d'eau que l'on rencontre souvent dans les fermes. Pour favoriser le refroidissement de la réserve d'eau, celle-ci sera avantageusement recouverte d'un couvercle non étanche, par exemple d'un tissu. Comme indiqué plus haut, l'échangeur tubulaire de l'invention n'est pas limité en aucune façon à l'utilisation dans le refroidissement du lait de traite avant stockage en cuve réfrigérée. I1 pourrait tout aussi bien être utilisé dans d'autres domaines, par exemple dans l'industrie alimentaire, pharmaceutique, etc. Ainsi, l'installation décrite et représentée peut être utilisée au refroidissement de tout autre fluide que du lait. REVENDICATIONS 1.- Echangeur tubulaire pour l'échange de chaleur entre deux fluides, en particulier pour le refroidissement du lait par de l'eau froide, caractérisé par le fait qu'il comprend un tube intérieur (24) en acier inoxydable, agencé en spirale et destiné à la circulation de l'un des deux fluides, et un tube extérieur (26) en matière plastique souple, disposé autour du tube intérieur et destiné à la circulation à contre-courant de l'autre fluide dans l'espace compris entre les deux tubes. 2.- Echangeur tubulaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube extérieur (26) est en polyamide. 3.- Echangeur tubulaire selon l'une des rèvendica- tions 1 et 2,caractérisé par le fait que le tube extérieur (26) est renforcé par une armature intérieure. 4.- Echangeur tubulaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube intérieur (24) et le tube extérieur (26) sont cintrés simultanément en forme de spirale. 5.- Installation de refroidissement du lait, dans laquelle le lait provenant de la traite est envoyé par une pompe (12) dans un échangeur de chaleur (18) où le lait est refroidi par de l'eau froide avant d'être stocké dans une cuve réfrigérée (22), caractérisée par le fait que l'échangeur de chaleur (18) est un échangeur tubulaire selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le lait circule dans le tube intérieur (24) et l'eau dans l'espace compris entre le tube intérieur (24) et le tube extérieur (26). 6.- Installation selon la revendication 5, dans laquelle le lait provenant de la traite est d'abord recueilli dans un récipient de transfert (10) disposé en amont de la pompe à lait (12), caractérisée par le fait qu'elle comprend un détecteur de niveau haut (42) et un détecteur de niveau bas (44) disposés dans le récipient (10) pour commander respectivement la mise en marche et l'arrêt de la pompe à lait (12). 7.- Installation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que le volume en lait de l'échangeur tubulaire (18) correspond sensiblement au volume en lait du récipient de transfert (10). 8.- Installation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que l'échangeur tubulaire (18) est disposé de telle sorte que le lait à refroidir parcourt celui-ci de haut en bas et par le fait qu'il comprend en outre une canalisation (46) pour la remontée du lait, de manière à permettre une stagnation momentanée du lait dans l'échangeur. 9.- Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comprend un programmateur (48) apte à commander, pendant l'arrêt de la pompe à lait (12) et la stagnation momentanée du lait dans l'échangeur (18), au moins une injection d'eau froide dans l'échangeur. 10.- Installation selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le programmateur (48) pilote une électrovanne (52) commandant l'arrivée d'eau froide du secteur. 11.- Installation selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le programmateur (48) pilote une pompe à eau (58) reliée à une réserve d'eau (54) maintenue à niveau constant. 12.- Installation selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisée par le fait qu'elle comprend une vanne à papillon (66) disposée entre la pompe à lait (12) et l'échangeur tubulaire (18) et par lé fait que le papillon (68) de la vanne est pourvu d'une ouverture centrale (70), la vanne étant en position ouverte pour le passage du lait et en position fermée pour le passage d'un liquide de lavage. 13.- Installation de refroidissement de fluide, caractérisée par le fait qu'elle comprend un échangeur tubulaire selon l'une des revendications 1 à 4.