Brevet FR2539051A1 — publié le 19840713

La présente invention est du domai ne des techniques de traitement thermique de substances, no tamment le séchage de celles-ci et elle a plus particulière ment pour objet une structure d'échangeur du type cylindre ro tatif a surface raclée, de tels échangeurs étant généralement utilisés pour le séchage en concentration par apport de calo ries, ou en cristallisation par retrait de calories. On connait depuis le début du siè cle la technique de séchage consistant à déposer sur un cylin dre rotatif d'axe horizontal une substance liquide, voire vis queuse, à introduire à l'intérieur du cylindre de la vapeur, et à racler sur la surface du cylindre la croûte de matière séchée résultant de ltëvaporation. Le cylindre estgénéraiement constitue d'une pièce à paroi d'acier ou de fonte, massive pourvue de flasques à ses extrémités et d'un arbre axial, ou de demi- arbres, permettant le support du cylindre dans les paliers d'un bâti. L'organe de râclage,dt couteau; peut entre d'un des très nombreux types connus et ne rentre pas dans l'objet de l'invention. Le caractère massif de la paroi d'acier est généralement exigé par des contraintes mécaniques. imposées à cette pièce par l'organe de raclage, par éventuel- lement la pression intérieure de vapeurs et aussi par les con traintes d'origine thermique liées au phénomène de transfert or ce caractère massif apporte un inconvénient dans la capaci té d'échange thermique de la paroi : en effet, cette capacité d'échange sera d'autant plus réduite que l'épaisseur de la pa roi sera plus grande ; de plus dans de tels échangeurs les be soins en calories d'un point donné de la paroi varient,de fa çon cyclique dans le temps : lorsque la paroi reçoit en un point la substance a traiter, une grande quantité de calories est tout d'abord nécessaire en ce point pour éventuellement réchauffer la substance et pour retirer la majeure partie de son eau ; ultérieurement une quantité plus faible de calories sera nécessaire pour parachever le séchage.L'inertie thermique d'une paroi épaisse , de l'ordre de plusieurs centimètres fait écran entre le fluxthe=Lique interne réparti sur toute la surface interne et le flux externe qui est surtout localisé chute initiale de température de la surface externe du cylindre qui demande une température de chauffe nettement supérieure à la température de la surface externe ; l'invention vise à diminuer cette différence de température entre les faces des parois de manière soit à utiliser de la vapeur basse pression (par exemple recompressée mécaniquement) soit a utiliser un liquide caloporteur pour le chauffage. Il résulte de ces difficultés de transfert que le réglage de ces échangeurs (température de la vapeur de chauffage, vitesse de rotation du cylindre, débit de la substance apportée, distance entre point d'apport et point de râclage) est assez délicat et que l'état de siccité de la substance traitée oscille toujours entre trop d'humidité (tendance à un aspect pâteux) et pas assez d'humidité (tendance à la carbonisation). L'idée mère de la présente invention est de dissocier, pour les traiter séparément et les opti- miser, les deux fonctions de la paroi de l'échangeur, à savoir: la fonction de transfert de chaleur et la fonction de résistance mécanique. Selon la présente invention un dispositif échangeur pour le traitement thermique des substances notamment leur séchage, ledit dispositif étant du genre cylindre rotatif comportant une paroi cylindrique a travers laquelle s'effectue l'échange thermique et sur une face de laquelle est appliqué au moins un organe de raclage, est carac merise d'une manière générale A) en ce que ladite paroi est elle-meme composée a) - d'une paroi externe à#coefficient de transfert thermique très élevé, la' face extérieure de ladite paroi externe étant la surface sur laquelle est étalée la substance à traiter et est appliqué l'organe de raclage, b) - d'une paroi interne à forte résistance mécanique pour pouvoir servir de support a la paroi externe et résister à la pres- sion interne, au moins la facedite extérieure de la paroi interne en regard de la paroi externe étant pourvue de canaux circonférenciels séparés les uns des autres par des entretoises qui servent en outre de points d'appui à la paroi externe, et B) en ce que lesdits canaux contiennent un fluide dit secon- daire destiné a se condenser sur la face intérieure de la paroi externe et à s'évaporer sur la face extérieure de la paroi interne. Il résulte de cette disposition générale que l'on a grosso modo bien séparé les deux fonctions de la paroi de l'échangeur,-à savoir : la fonction de transfert thermique de la paroi avec la. substance à traiter, fonction qui est assurée principalement par la paroi externe, de la fonction résistance mécanique qui est assurée principalement par la paroi interne, les canaux et le fluide secondaire qu'ils contiennent ayant la fonction de "caloduc" permettant à la fois de maximiser l'échange entre paroi interne et paroi externe et de minimiser les contraintes par effet de pression, de cette dernière. On notera que l'optimisation de l'échange d#au "caloduc" résulte non seulement de l'échange entre deux points en regard des parois interne et externe, mais aussi de la possibilité de transférer de la chaleur d'un lieu (zone angulaire) où elle est excédentaire (lieù'de#racïage) vers un lieu où elle fait défaut (lieu d'apport de la substance). On notera encore que l'onn'ajusqu'ici considéré l'échange que selon le sens suivant-lequel la chaleur'est transférée à la substance à traiter qui est de ce fait une source froide ; on comprendra aisément que les principes sus-énonces s'appliqueraient aussi bien dans le cas où la substance à traiter serait une source chaude et où des calories lui seraient retirées pour être transmises à un fluide primaire (cristallisation) ; en d'autres thermes la structure d'échangeur sus-décrite peut s'appliquer quel que soit le sens de l'échange thermique. Suivant une autre caractéristique générale secondaire la face intérieure de ladite paroi interne est pourvue d'ailettes circonférencielles dites intérieure res. Il résulte de cette disposition que lesdites ailettes intérieures contribuent à la fois à améliorer le transfert de chaleur entre un fluide, dit primaire, de chauffage, tel que vapeur,ou'1i#uide caloporteur, et la paroi~lnterne, paroi interne,et à renforcer la résistance mécanique de la paroi interne. On doit maintenant comprendre que l'invention ci-dessus exposée dans sa généralité peut être mise en oeuvre de multiples façons en fonction . de problèmes particuliers posés par telle ou telle substance et par le type de traitement thermique que l'on désire lui appliquer ; c'est dans le but d'aider l'homme de l'art dans le choix des solutions au problème posé que l'on va indiquer certains détails de réalisation relevant eux aussi de l'invention. Suivant une première caractéristique particulière de réalisation, la paroi interne est constituée par la juxtaposition d'éléments de forme générale annulaire, lesdits éléments étant pourvus de lumières pour le passage de tirants de bridage s'étendant d'une extrémité à l'autre du cylindre. Il résulte de ce mode de réalisation que l'on peut de manière assez facile obtenir de fonderie les éléments constitutifs de la paroi interne. Suivant une seconde caractéristique particulière de réalisation, la paroi sus-visée est percée d'une pluralité de conduits sensiblement parallèles aux génératrices et s'étendant d'une extrémité à l'autre de la paroi, lesdits conduits étant destinés à permettre la circulation d'un liquide caloporteur a l'intérieur même de la paroi interne. On notera que seule une paroi d'une certaine épaisseur permet la réalisation de conduits et que cette réalisation est aisée si cette caractéristique particulière se trouve combinée avec la caractéristique précédente. Suivant une autre caractéristique particulière, la face extérieure-de la paroiinternees'tpourù de nervures entre les entretoises demanière à ce que soit aug mentée la surface d'évaporation du fluide secondaire ; cette caractéristique souligne le rôle important joué par la surface d'évaporation du fluide secondaire et on notera que la rotation du cylindre contribue à étaler le fluide secondaire normalement présent à l'état liquide dans la partie inférieure du cylindre, sur toute la surface 'extérieure de la paroi interne. Suivant une autre caractéristique particulière les entretoises sus-visées comportent des lumieres destinées à mettre en communication les canaux. Suivant une autre caractéristique particulière applicable au cas du séchage de substances aqueuses, le fluide secondaire choisi possède une température d'ébullition assez élevée et plus élevée que celle de l'eau notamment; le fluide secondaire pourra être ainsi choisi parmi les carbures dérivés du benzène, parmi certains polyols et d'une manière générale parmi les susbtances chimiques inertes vis-à-vis des métaux. Il résulte de cette disposition que la température assez élevée a laquelle il se trouve en phase vapeur correspond à une pression relativement faible, d'où il résulte finalement une contrainte mécanique minimale de la paroi externe. Enfin et suivant une dernière disposition constructive particulière, plusieurs nappes cylindriques métalliques largement perforées sont disposées entre la paroi externe et la paroi interne, ces nappes servant à répartir l'effort des entretoises sur la totalité de la paroi externe. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront grace aux explications qui vont être données en relation avec les figures schématiques des planches annexées dans lesquelles La fig.l#est une perspective d'un des nombeux modèles de dispositif échangeur auxquels peut s'appliquer la présente invention, La fig.2 est une illustration en coupes axiale et diamétrale du cylindre d'un appareil de la figure précédente, La fig.3 est une coupe analogue à la coupe axiale de la fig.2 mais à plus grande échelle, La fig.4 est une coupe axiale partie le, analogue à celle de la fig.3, illustrant une première caractéristique de réalisation, La fig.5 est une coupe analogue à celle de la figure précédente illustrant une deuxième caractéristique particulière de réalisation, La fig.6 est une coupe analogue à celle de la figure précedente illustrant une troisième caractéristique particulière de réalisation, La fig.7 illustre de façon analogue une disposition constructive suivant laquelle la paroi externe est appliquée contre les entretoises de la paroi interne par l'intermédiaire d'un joint déformable, et La fig.8 illustre de façon analogue une autre disposition constructive suivant laquelle la paroi externe est appliquée contre les entretoises de la paroi interne par l'intermédiaire de plusieurs nappes métalliques perforées. Sur la fig.l un dispositif échangeur, tel que séchoir, est d'un modèle courant constitué essentiel lement d'un cylindre rotatif 1 comportant une paroi cylindrique 2, des flasques d'extrémité tels que 3, des paliers anaux 4 supportés par des montants 5 d'un bâti , un organe de raclage 6 est appliqué le long d'une génératrice de la paroi cylindrique 2. Dans un tel dispositif la substance a traiter. est disposée par exemple dans une auge située au-dessous du cylindre et non représentée sur la figure, et elle est retirée du cylindre (flèches 7)'par l'organe de raclage 6 pour tomber dans une trémie 8 disposée au-dessous de ce dernier. La substance à sécher va donc effectuer un trajet égal environ aux trois quarts d'un tour de cylindre, au cours duquel elle va abandonner son humidité (flèches 9), depuis son lieu d'apport au-dessous du cylindre jusqu'à son lieu de raclage. Les calories nécessaires à l'évaporation de l'humidité de la substance sont apportées par un fluide caloporteur, dit primaire dans le cas de la présente invention, introduit et retiré du cylindre par des conduits axiaux (flèches 10). Sur les fig.2 et 3 la paroi du cylindre est en fait constituée d'une paroi externe 11 et d'une paroi interne 12 ; la face extérieure 13 de la paroi##Unt#rne est pourvue de, ou conformée en, canaux circonférenciels 14 la face intérieure 15 de la paroi interne est pourvue d'ailettes circonférencielles telles que 16 ; par circonférencielles on entend que ces éléments ont une symétrie circulaire par rapport à l'axe de rotation du cylindre. La face extérieure lia de la paroi externe 11 est la surface raclée par le couteau 6. Les canaux 14 sont séparés les uns des autres par des entretoises telles que 17 ayant comme les ailettes une symétrie circulaire. Ces canaux sont partiellement remplis d'un fluide, dit secondaire, dont la présence n'a pas été matérialisée sur les dessins. Les entretoises peuvent être pourvues de lumières 18 permettant la communication entre des canaux voisins. Sur la fig.4, la paroi interne 12 est constituée par la juxtaposition d'éléments tels que 20 et 21 de forme générale annulaire, chaque élément étant luimême constitué d'une partie à extension diametrale..constitu- ant une ailette 16 et une entretoise 17 et d'une partie cylindrique 22 ; dans l'épaisseur de la partie cylindrique sont ménagés des lumières permettant le passage de tirants de bridage 23. La paroi interne 12 est ainsi formée d'un empilement d'éléments tels que 20 et 21 fermement assemblés par une pluralité de tirants tels-que 23. Sur la fig.5 la paroi interne 12, représentée sans ailette sur la figure, mais pouvant tout aussi bien en comporter, est percée d'une extrémité à autre d'une pluralité de conduits tels que 24 ; ces conduits sont destinés au passage d'un liquide caloporteur ; ils sont par exemple réunis les uns aux autres par des conduits ménagés dans les flasques d'extrémité pour aboutir dans des paliers axiaux 4. Sur la fig.6 la face extérieure 13 de la paroi interne 12 est pourvue d'une pluralité de nervures telles que 25 destinées à augmenter la surface d'évaporation du fluide secondaire. Sur la fig.7, un joint élastique 27 est disposé dans une rainure 28 de la périphérie d'une entretoise 17, et il sert de support élastique a la paroi externe 11 ; dans cette disposition constructive, on veillera à ce que le couple de rotation soit transmis à la paroi externe autrement que-par l'intermédiaire des joints 27, par exemple, soit directement par les flasques d'extrémité, soit par des pattes de raccordement de la' paroi externe .d la paroi interne. Sur la fig.8, deux nappes métalliques largement perforées sont disposées entre la paroi interne 12 et la paroi externe 11 6 la première nappe qui est en contact avec la paroi externe est.un treillis métallique 30 du genre métal déployé ; la seconde nappe, qui est en contact avec la paroi interne, est une ~toue perforée31 ; ces nappes répartissent l'effort des entretoises 17 sur la paroi externe sans pour autant constituer un obstacle à la circulation du fluide secondaire entre ces deux parois. On notera que la paroi externe peut avantageusement être frettée autour de la paroi interne après une mise a température adéquate de chacune de ces deux parois. Si la paroi externe est réalisée par chaudronnage et si la paroi interne est obtenue par moulage, notamment de plusieurs éléments juxtaposables, il apparait que l'invention, en plus des avantages de fonctionnement liés â l'optimisation des transferts, apporte finalement une simplification de la fabrication des cylindres d'échangeurs. On doit-enfin comprendre que la présente invention n'est pas limitée à chacune des formes de réalisation représentées isolément mais qu'elle s'étend aussi à la combinaison de plusieurs d'entre elles. REVENDICATIONS 1.- Dispositif échangeur pour le traitement thermique des substances notamment leur séchage, ledit dispositif étant du genre cylindre rotatif ( 1) comportant une paroi cylin drique (2 ) a travers laquelle s'effectue l'échange ther mique et sur une face de laquelle est appliqué au moins un organe de raclage (6 ), caractérisé en ce que ladite paroi (2 ) est elle-même composée - d'une paroi externe (11) à coefficient de transfert ther mique très élevé, la face extérieure (îîa) de ladite paroi externe étant la surface sur laquelle est étalée la sub stance a traiter et est appliqué l'organe de raclage (6 ), - d'une paroi interne (12) a forte résistance mécanique pour pouvoir servir de support a la paroi externe, au moins la face dite extérieure (13) de la paroi interne en regard de la paroi externe, étant pourvue de canaux circonféren- ciels (14) séparés les uns des autres par des entretoises (17) qui servent en outre de points d'appui a la paroi ex terne, et en ce que lesdits canaux contien nent un fluide dit secondaire destiné a se condenser sur la face intérieure de la paroi externe et a s'évaporer sur la face extérieure de la paroi interne ; 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face intérieure (15) de ladite paroi interne est pourvue d'ailettes ci;#conféren- cielles (16) dites intérieures, d'où il résulte que lesdites ailet tes intérieures contribuent a la fois a améliorer le trans- fert de chaleur entre un fluide, dit primaire, de chauffage, tel que vapeur, ouliquide caloporteur, et la paroi interne, et à renforcer la résistance mécanique de la paroi interne;; 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en-ce. que ladite paroi interne est constituée par la juxtaposition d'éléments de forme généra le annulaire, lesdits éléments étant pourvus de lumières pour le passage de tirants (23) de bridage s'étendant d'une extrémité a l'autre du cylindre 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi interne (12) est percée d'une pluralité de conduits (24) sensible ment parallèles aux génératrices et s'étendant d'une extré- mité a autre de la paroi, lesdits conduits étant destines a permettre la circulation d'un liquide caloporteur à l'in trieur même de la paroi interne ;; J - Dispositif selon la revendication 1,. caractérisé en ce que la face extérieure de la paroi est pourvue de nervures (25) entre les entretoises de manière a ce que soit augmentée la surface d'évaporation du fluide secondaire 6.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites entretoises comportént des lumières (18) destinées a mettre en communi cation les canaux ; 7.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide secondaire a une température d'ébullition assez élevée, et plus élevée que celle de l'eau, d'où il résulte que la température assez élevée à laquelle il se trouve en phase vapeur corres pond à une pression relativement faible, d'où il résulte finalement une contrainte mécanique minimale de la paroi externe ; 8.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre la paroi externe et la paroi interne sont disposées plusieurs nappes (30,3q cylindriques métalliques largement perforées, ces nappes servant à répartir l'effort des entretoises sur la totali té de la paroi externe.