Brevet FR2562224A1 — publié le 19851004

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ECHAUFFEMENT D'UN PRODUIT PATEUX PAR CHAUFFAGE SUPERFICIEL ET CHAUFFAGE PAR INFUSION La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'é- chauffement d'un produit pâteux, ou d'une substance ou masse pâteuse par chauffage superficiel et chauffage par infusion. Dans l'industrie, il est souvent nécessaire de porter des masses pâteuses à une température élevée, par exemple à des fins de stérilisa- tion, à l'aide d'échangeurs thermiques superficiels ou à l'aide de dispositifs assurant un chauffage direct. La plupart des substances utilisées dans les industries chimiques, pharmaceutique et alimentaire sont sensibles à la chaleur. Selon la nature de la substance intéressée, l'augmentation de la température a des effets indésirables sur les constituants de la substance. La plupart des dispositifs de chauffage classiques, tel qu'on les utilise actuelle- ment, sont constitués essentiellement par des échangeurs thermiques (ou échangeurs de chaleur) superficiels dont l'agencement permet générale- ment de réaliser un échauffement rapide des produits susceptibles d'être refoulés ou transportés par pompage. Lorsque les substances intéressées présentent une viscosité élevée, on ne peut utiliser que des dispositifs de construction spé- ciale, compte tenu, d'une part, de l'impératif d'une transmission satisfaisante de la chaleur et, d'autre part, de la résistance hydrau- lique déterminée par le dispositif. Or, dans la plupart des cas, les substances pâteuses de forte viscosité renferment également des consti- tuants solides et les moyens techniques classiques ne permettent pas de réaliser un échauffement optimum des substances ou-produits de ce genre. Il semble avantageux d'utiliser un mode de chauffage direct lorsqu'on désire échauffer rapidement des produits pâteux. On utilise des systèmes de chauffage direct pour le traitement thermique des substances relativement fluides dans des dispositifs à injection ou à infusion. Toutefois, l'échauffement des produits pâteux dans un disposi- tif de ce genre soulève des problèmes techniques considérables. Lors de l'utilisation des dispositifs du type à infusion, il est difficile de mélanger l'agent calorifère et le produit à traiter, en raison de la viscosité élevée de ce dernier. Lors de l'utilisation des dispositifs de chauffage par infusion dans lesquels le produit à traiter est injecté dans une chambre à vapeur, on se heurte également à des problèmes difficiles en raison de la forte viscosité et de la présence éventuelle de constituants solides. Lorsqu'on utilise des pulvérisateurs travaillant sous pression, avec un seul fluide ou avec deux fluides différents, le gradient de -pression requis pour la pulvérisation est considérable et, par ailleurs, la vitesse du jet d'eau sortant est élevée. Lorsqu'on désire obtenir des gouttelettes de faibles dimensions qui se prêtent à l'utilisation envisagée, le gradient de pression dans le pulvérisateur et la vitesse de sortie atteignent des valeurs tellement élevées qu'elles rendent impossible l'utilisation du système à infusion, étant donné que les installations devraient alors présenter des dimensions excessives. Hormis les dimensions des gouttelettes, c'est aussi la vitesse de sortie qui détermine essentiellement les dimensions de la chambre ou enceinte de chauffage. Lors de l'échauffement direct, l'agent calorifère entre en contact direct dans la chambre de chauffage avec les goutte- lettes sortant du pulvérisateur. Outre les dimensions des gouttelettes, leurs caractéristiques physico-chimiques déterminent aussi la tempéra- ture à atteindre lors du traitement thermique. Afin de ménager une durée suffisante pour la convection thermique, il faut que les gouttelettes entrent en contact avec l'agent calorifère de façon telle qu'elles ne s'agglomèrent pas pendant ce temps. Cette durée de la réaction détermine les dimensions de la chambre de chauffage. Des vitesses de sortie élevées peuvent obliger à prévoir une augmentation très sensible des dimensions des dispositifs ou installations intéressés. Le diamètre de la chambre de chauffage dépend des dimensions du cône de pulvérisation des gouttelettes sortant du pulvérisateur. Lorsque le cône de pulvérisation présente des dimensions importantes, il en résulte une augmentation sensible du diamètre, ce qui entraîne une augmentation considérable de l'épaisseur de la paroi du dispositif. L'utilisation d'un pulvérisateur à disque ou à plateau dans un dispositif à infusion n'est pas judicieuse non plus, puisqu'elle entrai- nerait une augmentation indésirable du diamètre du dispositif. La présente invention a pour but d'éliminer, dans les dispositifs à chauffage superficiel et les dispositifs à chauffage direct, les inconvénients résultant de la forte viscosité des substances pâteuses et de créer une solution qui combine les avantages offerts par l'un et l'autre de ces deux types de dispositif. L'invention est basée sur le fait qu'on a compris qu'il est avantageux de disposer, au-dessus de l'enceinte d'infusion, un échangeur de chaleur superficiel qui assure, d'une manière périodiquement alter- nante, l'introduction dans l'enceinte d'infusion de l'agent calorifère et celle de la substance à échauffer. L'invention vise un dispositif pour l'échauffement rapide de substances pâteuses qui combine l'échangeur de chaleur superficiel avec le dispositif de chauffage direct par infusion de façon telle que la gouttelette introduite dans l'enceinte ou chambre à vapeur soit pré- chauffée et pénètre dans l'enceinte à infusion à une faible vitesse et avec des dimensions convenablement réduites. Ce but est atteint, selon l'invention, en ce qu'on combine les deux modes d'échauffement de façon telle qu'on préchauffe d'abord la substance pâteuse par chauffage superficiel et qu'on la porte ensuite à la température finale désirée par chauffage par infusion, les deux systèmes de chauffage étant superposés et la substance préchauffee étant introduite avec une composante de vitesse verticale dans l'enceinte de chauffage par infusion (enceinte a infusion) oO elle se dépose dans un champ de gravitation, la formation des gouttelettes s'effectuant en même temps que le préchauffage. La réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est remarquable essentiellement en ce qu'une cloison est disposée entre trois enceintes et comporte, au moins, un passage, cependant que deux des enceintes seulement, par exemple l'enceinte à produit et l'enceinte A vapeur, ou bien l'enceinte à vapeur et l'en- ceinte à infusion, sont reliées l'une à l'autre par ledit passage. Avantageusement, le passage précité constitue, en même temps, le moyen de formation des gouttelettes. D'une manière avantageuse, l'enceinte à produit et l'enceinte à vapeur sont disposées au-dessus de l'enceinte à infusion, et la cloison pourvue du passage précité est disposée entre elles, ledit passage n'étant aligné, dans toute position donnée, que sur l'une des enceintes du fait que l'enceinte à produit et l'enceinte à vapeur sont disposées sur une plaque déplacable à coulissement. -5 Dans un autre mode de réalisation, l'une des enceintes -à savoir, ou bien l'enceinte à produit, ou bien l'enceinte à vapeur- est reliée de manière permanente à l'enceinte à infusion placée au-dessous d'elles, par le passage ménagé dans la cloison précitée, tandis que l'autre enceinte à savoir, ou bien l'enceinte à produit, ou bien l'enceinte à vapeur- est placée dans l'une des autres enceintes précitées et n'est reliée que périodiquement à la troisième enceinte -l'enceinte à infusion- par ledit passage de la cloison. Selon une disposition avanta- geuse, l'enceinte à infusion est excentrée et déplaçable angulairement. Avantageusement, dans l'ensemble des enceintes reliées entre elles en permanence, la troisième enceinte présente une configuration excen- trique quelconque, cependant qu'une pluralité de passages sont ménagés dans la cloison entre les enceintes communiquant de manière permanente. L'invention sera décrite ci-dessous de manière plus détaillée, notamment en référence aux figures annexées, qui sont données à titre d'illustration, mais non de limitation. - la figure 1 illustre schématiquement le principe du dispositif selon la présente invention; - la figure 2 représente schématiquement une solution technique différente; - la figure 3 montre encore un autre mode de réalisation de l'in- vention; - la figure 4 est une coupe prise suivant la ligne A-A de la figure 3; - la figure 5 est un schéma représentant un mode de réalisation différent. Ainsi que le montre la figure 1, le dispositif selon l'invention comporte trois enceintes, à savoir: une enceinte à produit 1, une enceinte à vapeur 2 et une enceinte à infusion 3. L'enceinte a produit 1 renferme le produit (ou la substance) à échauffer, l'enceinte à vapeur 2 contient l'agent calorifère constitué avantageusement par de la vapeur ou un gaz sous pression. L'enceinte à infusion 3 est disposée au-dessous de l'enceinte à produit 1 et de l'enceinte à vapeur 2. Une cloison 4 est disposée entre les enceintes 1 et 2, d'une part, et l'enceinte à infusion 3 d'autre part, et est pourvue d'un passage 5 dont le diamètre est représenté par D. La longueur du passage 5 est égale à l'épaisseur L de la cloison 4. L'enceinte à produit 1 et l'enceinte à vapeur 2 sont montées sur une plaque coulissante 6. Cette dernière est déplacable-à coulissement au-dessus de la cloison 4. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce que l'enceinte à produit 1 est disposée concentriquement à l'intérieur de l'enceinte à vapeur 2 et que le diamètre de l'enceinte à infusion 3 correspond à celui de l'enceinte à vapeur 4. Un passage 5 est également ménagé dans la cloison 4 séparant l'enceinte à vapeur de l'enceinte à infusion 3. La longueur du passage 5 est égale à l'épaisseur L de la cloison 4. L'enceinte à produit 1 est disposée sur une plaque coulissante 6 déplacable à glissement en trans- lation ou angulairement. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, l'enceinte à produit 1 est également disposée dans l'enceinte à vapeur 2, cependant que l'enceinte à infusion 3 est disposée au-dessous d'elles, avec interposition de la cloison 4. Ce mode de réalisation est différent de celui de la figure 2 en ce que les axes respectifs 7 et 8 de l'enceinte à produit 1 et de l'enceinte à infusion 3 ne sont pas alignés9 mais décalés l'un par rapport à l'autre d'une distance E. Le passage 5 ménagé dans la cloison 4 est disposé sur lzaxe 8 de l'enceinte à infusion 3, la longueur du passage 5 correspond à l'épaisseur L de la cloison 4. L'enceinte à produit est agencée de manière excentrique, montée à rotation autour de l'axe 7, sur la plaque coulissante 6. La configura- tion excentrique de l'enceinte à produit 1 est mise en évidence par la coupe A-A représentée sur la figure 4. Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 est essentielle- ment identique à celui de la figure 2, étant donné que, dans les deux cas, l'enceinte à produit 1 est disposée dans l'enceinte à vapeur 2, cependant que l'enceinte à infusion 3 est disposée concentriquement au- dessous des deux enceintes précitées. La seule différence consiste en ce que la cloison 4 est pourvue d'une pluralité de passages 5 qui peuvent être ouverts ou fermés par des déplacements angulaires de l'enceinte à produit 1. La valeur du diamètre D du passage 5 est fonction de la viscosité du produit (ou substance) à échauffer et -dans le cas d'un produit particulaire tel que purée de tomate ou pulpe de fruits- des dimensions des particules. La longueur de l'enceinte à infusion est fonction: - de la température finale déterminée par les données technologi- ques; - de la température initiale de la substance à échauffer; - de la pression de l'agent calorifère; - du diamètre D du passage; et - des caractéristiques de la substance à échauffer. Le dispositif selon l'invention fonctionne comme suit: on introduit le produit à échauffer dans l'enceinte à produit 1 et l'agent calorifère, dans l'enceinte à vapeur 2. En général, l'agent calorifère est de la vapeur ou un gaz sous une pression appropriée. Lorsqu'on déplace l'enceinte à produit 1 et l'enceinte à vapeur 2 simultanément en déplaçant la plaque coulissante 6, le produit à traiter traverse le passage 5 pour pénétrer dans l'enceinte à infusion 3. Lorsqu'il existe un gradient de pression convenable dans les enceintes à produit 1 et à infusion 3, une quantité convenable du produit intéressé, fonction des caractéristiques du produit, du diamètre D et de la lon- gueur du passage 5, pénètre dans l'enceinte a infusion 3, o les goutte- lettes de produit, sortant du passage 5, tombent sous-l'effet de la gravité. La vitesse de la chute ou descerte des gouttelettes de produit dans l'enceinte à produit 1, sous l'effet de la gravité, détermine la vitesse de sédimentation. La valeur du diamètre D du passage 5 doit être déterminée de façon telle que la gouttelette de produit sorte du passage à une vitesse inférieure à la vitesse de sédimentation précitée, afin que la longueur de l'enceinte à infusion puisse être maintenue dans des limites acceptables. Lorsqu'on place alternativement l'enceinte à produit 1 et l'enceinte à vapeur 2 en face du passage 5, en déplacant la plaque coulissante 6, ledit passage 5 est traversé alternativement par l'agent calorifère et la substance pâteuse (ou produit pâteux) à trai- ter. Lorsqu'on choisit une périodicité appropriée, l'agent calorifère échauffe la paroi du passage 5 de la cloison 4 et remplit l'enceinte à infusion 3 de façon telle que, d'une part le passage 5 préchauffe le produit qui le traverse et que, d'autre part, une température optimum règne pour la conduction thermique, à l'intérieur de l'enceinte à infusion. Le produit à échauffer reçoit la chaleur de la cloison 4 par l'intermédiaire de la paroi du passage 5, en traversant celui-ci, ce qui porte ledit produit à une certaine température et la gouttelette de produit, ainsi préchauffée, se déplace parallèlement à l'axe de l'en- ceinte à infusion 3 vers l'intérieur de cette dernière, à une faible vitesse, l'échauffement direct étant alors effectué dans cette enceinte pendant que la gouttelette tombe sous l'effet de la gravité. Lors de la période ou étape suivante, l'enceinte à vapeur 2 est reliée à l'enceinte à infusion 3 par le passage 5 et, pendant que l'agent calorifère traverse le passage 5, l'agent calorifère transmet la chaleur à la paroi de ce passage et, partant, à la cloison 4, ce proces- sus se répétant de manière périodique. Lors de chaque demi-période, le produit à traiter passe de l'en- ceinte à produit 1 vers l'enceinte à infusion 3 en traversant le passa- ge 5 et reçoit, pendant ce temps, la chaleur de la cloison 4 par l'in- termédiaire de la paroi du passage 5. Cet apport de chaleur porte le produit à une certaine température, et la gouttelette de produit ainsi préchauffée se déplace, à une vitesse réduite, parallèlement à l'axe de l'enceinte à infusion vers l'intérieur de cette dernière oO l'échauffe- ment direct a ensuite lieu. Pendant la seconde demi-période, l'enceinte à vapeur 2 est reliée à l'enceinte à infusion 3 et l'agent calorifère, en traversant le passage 5, transmet la chaleur a la cloison 4 par l'intermédiaire de la paroi dudit passage. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'éviter les phénomènes de surchauffage local dans la masse du produit à traiter; ils permettent de travailler avec des dimensions et vitesses optima des gouttelettes du produit intéressé; et, enfin, ils permettent de détermi- ner une composante de vitesse d'orientation voulue. Du fait que la cloison absorbe, puis cède périodiquement de la chaleur, on peut obtenir un préchauffage approprié de la substance à traiter. Il s'ensuit que les sections de conduite pour l'échauffement par infusion, c'est-à-dire les dimensions du dispositif dans son ensemble, peuvent être maintenues à des valeurs sensiblement réduites, sans que ceci n'entraîne des détério- rations du produit à traiter. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nom- breuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.-Procédé d'échauffement d'un produit pâteux à l'aide de moyens de chauffage superficiel et de moyens de chauffage par infusion, carac- térisé en ce que les deux modes de chauffage sont combinés de façon telle que ledit produit pâteux soit d'abord préchauffé par chauffage superficiel pour être ensuite porté à la température finale désirée, les deux systèmes de chauffage étant superposéset le produit préchauffé étant introduit dans l'enceinte à infusion avec une composante de vitesse verticale, cependant que ledit produit se dépose dans cette enceinte à infusion dans un champ gravitationnel, et qu'une formation de gouttelettes du produit traité est effectuée en même temps que le préchauffage. 2.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendi- cation 1, comportant une enceinte à produit (1), une enceinte à va- peur (2) et une enceinte à infusion (3), caractérisé en ce qu'une cloison (4) est disposée entre lesdites trois enceintes et pourvue d'au moins un passage (5), cependant qu'à tout instant donnée, seulement deux des enceintes, à savoir l'enceinte à produit (1) et l'enceinte à infu- sion (3), ou bien l'enceinte à vapeur (2) et l'enceinte à infusion (3) sont reliées l'une à l'autre par ledit passage (5). 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit passage (5) constitue en même temps un organe de formation de gouttelettes. 4.- Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce 'que l'enceinte à produit (1) et l'enceinte à vapeur (2) sont disposées au-dessus de l'enceinte à infusion (3), la cloison (4) pourvue dudit passage (5) étant disposée entre elles, l'agencement étant tel que ledit passage (5) ne soit aligné, à tout instant donnée, que sur l'une des autres enceintes, à savoir l'enceinte à produit (1) et l'enceinte à vapeur (2). 5.- Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'une des enceintes, à savoir l'enceinte à produit (1) ou l'enceinte à vapeur (2) est reliée en permanence par ledit passage (5) de la cloison (4) à l'enceinte à infusion (3) disposée au-dessous des encein- tes précitées, tandis que l'autre enceinte, à savoir l'enceinte à produit (1) ou l'enceinte à vapeur (2) se trouve dans une des autres enceintes et n'est reliée que périodiquement à la troisième enceinte ou enceinte à infusion (3), par l'intermédiaire dudit passage (5). 6.- Dispositif selon une quelconque des revendications 1, 2 et 5, caractérisé en ce que la troisième enceinte, à savoir l'enceinte à infusion (3), est disposée dans une des enceintes constamment en commu- nication, o elle est placée excentriquement par rapport à l'axe desdi- tes enceintes et angulairement déplacable autour de l'axe excentré. 7.- Dispositif selon une quelconque des revendications 1, 3 et 5, caractérisé en ce que, dans l'une des deux enceintes constamment en communication, la troisième enceinte présente une configuration excen- trique quelconque, cependant qu'entre les enceintes communiquant en permanence, une pluralité de passages (5) sont prévus dans la cloison précitée.