Brevet FR2580386A1 — publié le 19861017

CYLINDRE CHAUFFANT POUR PRODUITS SE PRESENTANT SOUS FORME DE FILMS, FEUILLES, PLAQUES OU SIMILAIRES Les cylindres chauffants sont utilisés dans un très grand nombre de branches de l'industrie chaque fois qu'il s'agit de porter à une tempé- rature donnée ou de sécher un produit se présentant sous forme d'un film, d'une feuille ou d'une plaque. Tel est particulièrement le cas dans les industries du cuir, de la papeterie, des matières plastiques, du caout- chouc, etc... Il existe une très grande variété de ce type de cylindres qui peuvent être utilisés pour telle ou telle branche de l'industrie selon le degré de précision de température exigé. Le procédé de chauffage le plus simple consiste, commne montré à la figure 1, à disposer à l'intérieur d'un cylindre (2) un certain nombre de résistances électriques (3) tournant avec le cylindre et alimentées par le rotor (4). Ce type de cylindres présente cependant des inconvé- nients importants, car l'impossibilité d'effectuer une répartition très fine des résistances électriques se traduit par des différences de tempéra- ture importantes le long d'une génératrice et le long d'une circonférence. De façon à obtenir des précisions de température acceptables (de l'ordre de 3 à 40 C), il est nécessaire de prévoir des masses métal- liques importantes de façon à égaliser, par conductibilité thermique, l'irrégularité de l'apport de calories due aux résistances. On arrive de cette façon à améliorer la régularité de température, mais les masses métalliques importantes et par suite l'inertie thermique élevée se tradui- sent par un temps de réaction extrêmement long à des variations de température, que celles-ci soient provoquées par le dispositif de régula- tion de température ou résultent du procédé lui-même. Un autre inconvénient important réside dans le fait que la régula- rité de température de la surface du cylindre dépend finalement d'une répartition "intelligente" d'une masse métallique et des résistances de chauffage et que cette répartition ne peut se faire qu'en faisant un certain nombre d'hypothèses sur la nature du produit véhiculé par le cylindre et ses besoins en calories. Un tel cylindre ne permet donc qu'une approche empirique des conditions optimales de chauffage pour une gamme de température donnée, pour un produit donné et pour une vitesse de production donnée. Pour ces raisons, ce type de cylindre est très peu utilisé actuel- lement. Pour remédier à ces inconvénients, les cylindres plus couramment utilisés mettent en jeu un fluide dit caloporteur, dont la circulation assure une double fonction: - transfert de calories entre le système générateur et le cylindre - répartition régulière de ces calories à proximité des points de consommation de façon à maintenir la température régulière sur la surface utile des cylindres sur toute la plage des régimes de fonction- nement prévus. Les cylindres actuellement utilisés, en particulier dans l'industrie du papier, du caoutchouc, de la transformation des matières plastiques, sont presque toujours de ce type. Les fluides mis en oeuvre sont, en fonction des applications et des domaines de température, de l'eau, des huiles caloduc, de la vapeur ou des fluides spécialisés. Quel que soit le fluide, dans la majeure partie des cas, et comme montré à la figure 2, le système de production de calories (5) est exté- rieur au cylindre consommateur (6), qu'il s'agisse d'un système centralisé (pour une batterie de cylindres) ou d'un système individuel pour chaque cylindre. L'apport de calories se fait par des résistances électriques (7), brûleurs à fuel, à gaz, à charbon (vapeur) dans le générateur extérieur au cylindre. Une sonde de température (g) mesure la température du fluide et assure la régulation. Après que le fluide caloporteur ait été amené à la température souhaitée du récepteur, soit directement, soit indirectement par mélange, il est véhiculé par un système de pompes (9) et est introduit dans le cylindre par un joint tournant (10) assurant l'étanchéité. Selon les exi- gences de régularité de température, le fluide circule soit à l'intérieur du cylindre (technique dite du corps creux), soit dans un espace annulaire creéé à la périphérie du cylindre entre la virole extérieure et une deu- xième virole intérieure, soit dans des systèmes plus performants encore à l'intérieur de spirales ou de canaux rectilignes (12) judicieusement répartis et entre-croisés. L'objectif est d'assurer une circulation à vitesse élevée du fluide caloporteur, de façon que les calories consommées par le produit traité soient remplacées le plus rapidement possible sans chauffage préférentiel d'un côté ou d'un autre. Dans le cas des fluides, l'existence d'un élément accélérateur du fluide (pompe) est essentiel. Dans le cas de la vapeur, la différence de pression est suffisante pour assurer la circulation du fluide à grande vitesse, l'apport de calories se faisant par conduction et partiellement par condensation. Quel que soit le système utilisé, on retrouve toujours dans ce groupe de cylindres un générateur de calories extérieur au cylindre et un organe de mise en pression du fluide destiné à en assurer la circulation à grande vitesse. Ce type de cylindres donne satisfaction dans une multitude d'utili- sations. Il présente cependant les inconvénients suivants - rendement thermique faible dû à des déperditions calorifiques importantes au niveau de la chaudière extérieure, des canalisations de transmission, des vannes, du joint tournant..., - consommation d'énergie importante au niveau de l'organe de mise en pression (généralement pompe). Plus les exigences de régula- rité de température sont importantes, plus la consommation à ce niveau est élevée puisque le coefficient d'échange dépend directement de la vitesse de circulation du fluide, elle-même dépendante de la différence de pression, - présence inévitable d'un joint tournant qui présente de nombreux inconvénients pour un certain nombre d'applications. Ces inconvénients sont: l'encombrement des systèmes, l'entretien élevé auxquels ils sont assujettis, la difficulté de les rendre complètement étanches, ce qui présente un grave inconvénient pour les applications dites propres (film technique, bandes magnétiques, etc...). En outre, quel que soit le type de joint tournant utilisé, ces joints présentent un couple parasite dû à l'existence de plaques d'étanchéité en rotation l'une contre l'autre qui est gênante pour certaines applications. Malgré leurs inconvénients, ces systèmes sont actuellement couramment utilisés, sauf dans un certain nombre d'applications ou ces inconvénients sont inacceptables. Pour certaines autres applications, en particulier dans le domaine textile, il est toutefois nécessaire d'utiliser d'autres types de cylindres. On trouve en effet dans cette branche de l'industrie fréquemment des problèmes de cylindres tournant à très haute vitesse (4000 - 5000 t/mn) présentant un volume compact et pour lesquels la technique du joint tournant serait inacceptable. En outre, ces cylindres étant soumis à des variations de charge instantanées importantes, doivent pouvoir réagir extrêmement rapidement par un apport de ca:ories lors d'une variation de régime en un point particulier du cylindre. Dans de tels cas est utilisée la technique dite du caloduc tour- nant, dans laquelle, comme nmontré à la figure 3, le cylindre (13) corm- porte, à proximité immédiate du produit à traiter, un espace annulaire (14) mis sous un vide poussé et partiellement rempli d'un liquide calopor- teur (15) se trouvant, du fait de la dépression poussée de la chambre (14) dans laquelle il séjourne, en état de vaporisation constante sur toute la gamme de température d'utilisation du cylindre. La fonction de ce fluide caloporteur est d'assurer au même titre que le fluide dans les cylindres décrits précédemment, une circula- tion de vapeur à très grande vitesse (compensation immédiate des écarts de température) et apport de calories par condensation. Pour ce type de cylindre, l'apport de calories se fait générale- ment par l'intérieur du cylindre par le mode de chauffage du "transfor- mateur en court-circuit" (16) consistant à créer, à partir d'un bobinage fixe à l'intérieur du cylindre, un champ magnétique qui par bouclage en court-circuit dans la masse métallique du cylindre (en rotation) dégage par effet joule les calories nécessaires au système. Ce type de cylindre est extrêmement performant sur le plan de la régulation de température, grâce au fluide caloporteur et sur le plan création de calories par effet transformateur. Il présente. par contre, l'inconvénient d'être relativement cher sur le plan de la mise en oeuvre, du fait du coût élevé des bobinages électriques nécessaires, ce qui limite généralement son application à des cylindres de très petites dimensions. Une difficulté supplémentaire résulte du fait que le fluide répar- titeur de temperature, ainsi que le dégagement de calories s'effectuant à l'intérieur même de la partie en rotation (ce qui est souhaitable pour donner au système un temps de réponse rapide), il est nécessaire, pour assurer une regulation de température acceptable du système, que la sonde de prise de température (17) se trouve elle-même dans l'enveloppe tournante. La sonde de mesure de température (1) se trouve donc en rotation comme l'ensemble du système, et il est donc nécessaire de ressortir le signal par des systèmes électroniques (18) à champ induit, qui sont eux-mêmes extrêmement onereux et compliqués à mettre en oeuvre. Ceci constitue une différence importante par rapport au type de cylindre précédent o le fluide étant mis en température à l'extérieur du cylindre en rotation, il est simple de mesurer la température du fluide avant que celui-ci ne pénètre dans le système, le thermocouple étant alors statique et le système de régulation ayant de ce fait un coût acceptable. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, le cylindre qu'elle concerne comporte, en combi- naison: - une virole cylindrique solidaire en rotation de l'arbre du cylindre présentant deux parois concentriques délimitant un volume annulaire contenant un fluide caloporteur, -un corps fixe, disposé à l'intérieur de la virole et s'étendant sensiblement sur toute la longueur de celle-ci, régulée en température à une température proche de la température d'utilisation du cylindre, et - des moyens de transmission des calories entre le corps fixe et la paroi intérieure de la virole. Le corps fixe est régulé à une température proche de la tempéra- ture d'utilisation du cylindre par différents dispositifs, qui peuvent être soit une circulation de fluide chaud, soit des résistances électriques, soit d'autres moyens susceptibles d'apporter ou d'enlever au corps les calories nécessaires pour lui permettre d'atteindre l'équilibre thermique souhaité. L'alimentation en calories se fait de façon extrêmememt simple, puisque le corps chaud est fixe à l'intérieur du cylindre, évitant des composants, tels que joints tournants pour un système fluide, ou contacts rotatifs pour une alimentation électrique, qui seraient nécessaires si le corps était mobile. Avantageusement, le volume annulaire, délimité entre les deux parois de la virole, est maintenu en dépression de façon permanente, et est partiellement rempli d'un fluide, qui se trouve, en raison de ses caractéristiques thermodynamiques et du degré de vide, en équilibre permanent entre une phase vapeur et une phase liquide, sur toute la plage de températures d'utilisation du cylindre. Ce système de fluide caloporteur très performant situé dans la partie rotative du cylindre, assure l'équilibre de température sur 258038U toute la surface de celui-ci en raison de la circulation de vapeur à très haute vitesse dans l'enceinte fermée et sous vide constituée par le volume annulaire délimité par les deux parois de la virole. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps fixe présente, en coupe transversale, une forme de secteur circulaire, d'axe correspondant à l'axe du cylindre, et de rayon légèrement inférieur au rayon de la paroi intérieure de la virole. Le système de transmission de chaleur entre le corps fixe et la virole peut se faire par rayonnement ou convexion. Avantageusement, dans le cas de systèmes performants, les moyens de transmission de calories entre le corps fixe et la paroi inté- rieure de la virole sont constitués par une lame de liquide, choisi pour sa stabilité à la température d'utilisation. Dans le cadre de cylindres chauffés à des températures de l'ordre de 150 à 160 C, différents liquides peuvent être utilisés et notamment des liquides de type fluoré ou des huiles silicones, qui sont particulière- ment bien adaptés, puisqu'ils permettent un fonctionnement à pression atmosphérique sans risque de dégradation ou de génération de produits dangereux. Toutefois, il est préférable que, pour éviter les fuites par vaporisation, ou lors des changements de vitesse, la partie rotative du cylindre constitue un volume fermé à l'intérieur duquel se trouve le corps fixe chauffant. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le corps fixe s'étend sur un secteur, par exemple un quart de cercle situé en dessous de l'axe du cylindre, et le niveau du liquide de contact est également situé en-dessous de l'axe du cylindre. Etant donné qu'une très faible quantité de liquide de contact est suffisante, l'étanchéité apportée par la partie rotative du cylindre peut être sommaire, puisque le niveau de liquide ne dépasse pas le niveau de l'axe. Il s'agit donc d'un type d'étanchéité sans commune mesure avec celui exigé par des joints rotatifs auxquels on demande une étanchéité absolue, même sous des pressions de fonctionnement relativement élevées. En outre, le liquide de contact n'ayant qu'une simple fonction de transmission de calories par conductibilité thermique entre le corps fixe et la virole en rotation, il n'est pas nécessaire, contrairement aux conditions requises dans les cylindres classiques, d'assurer une vitesse de circulation importante au liquide pour réaliser le transfert des calo- ries, et simultanément l'équilibrage des températures, celui-ci étant assuré par le fluide caloporteur intérieur à la virole. La simple rotation du cylindre est suffisante pour assurer ce transfert. Ce cylindre est également équipé d'un dispositif de régulation de température comportant une sonde de mesure, située dans le corps fixe à proximité du liquide de liaison entre le corps chauffant fixe et la paroi intérieure de la virole. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dont la figure 4 représente une vue en perspective de ce cylindre chauf- fant, dont une extrémité est partiellement arrachée. Ce cylindre comprend une virole cylindrique comprenant deux parois concentriques, respectivement, extérieure (20) et intérieure (22), délimitant un volume annulaire (23), cette virole étant solidaire en rotation de l'arbre (24) du cylindre. Le volume annulaire (23) est main- tenu en dépression de façon permanente, et est partiellement rempli d'un fluide (25) qui, en raison de ses caractéristiques thermodynamiques et du degré de vide, se trouve en équilibre permanent entre une phase vapeur et une phase liquide, sur toute la plage de températures d'utilisa- tion du cylindre. A l'intérieur de la virole, est disposé un corps fixe (26) présen- tant, en coupe transversale, une forme de secteur circulaire, correspon- dant à un quart de cercle, d'axe correspondant à l'axe du cylindre et de rayon légèrement inférieur au rayon de la paroi intérieure de la virole. Ce corps fixe (26) est équipé de moyens de chauffage constitués par des résistances (27) dans la forme d'exécution représentée au dessin. Entre le corps fixe (26) et la partie tournante, et plus précisément la paroi intérieure (22) de celle-ci, le transfert thermique est assuré par une lame d'un liquide (28) dont le niveau est situé en-dessous de l'axe du cylindre, et qui est choisi pour posséder une bonne stabilité à la température de fonctionnement du cylindre. Ce cylindre possède enfin un dispositif de régulation de tempéra- ture dont la sonde (29) est disposée dans le corps fixe (26) à proximité du liquide assurant le contact thermique entre le corps fixe (26) et la paroi intérieure (22) de la virole. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un cylindre chauffant de conception simple, du fait que le corps chaud est fixe et ne nécessite que des moyens de mise en oeuvre simples tant sur le plan de la création des calories que de la régulation de la tempéra- ture, que le fluide caloporteur, situé dans la partie tournante du cylindre, assure un excellent équilibre de température sur toute la surface du cylindre, et enfin que le transfert de calories entre le corps fixe et la partie tournante, est obtenu par un liquide ne nécessitant pas des conditions strictes d'étanchéité. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce cylindre chauffant, décrite ci-dessus à titre d'exemple; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que le transfert de calories entre le corps fixe et la partie rotative du cylindre pourrait être effectué par convexion ou par rayonnement, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Cylindre chauffant, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: - une virole cylindrique solidaire en rotation de l'arbre du cylindre présentant deux parois concentriques (20, 22) délimitant un volume annulaire contenant un fluide caloporteur, - un corps fixe (26), disposé à l'intérieur de la virole et s'éten- dant sensiblement sur toute la longueur de celle-ci, régulée en tempéra- ture à une température proche de la température d'utilisation du cylin- dre, et - des moyens de transmission des calories entre le corps fixe et la paroi intérieure de la virole. 2. - Cylindre chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume annulaire (23) délimité entre les deux parois (20, 22) de la virole est maintenu en dépression de façon permanente, et est partiellement rempli d'un fluide (25), qui se trouve, en raison de ses caractéristiques thermo-dynamiques et du degré de vide, en équilibre permanent entre une phase vapeur et une phase liquide, sur toute la plage de température d'utilisation du cylindre. 3. - Cylindre chauffant selon l'une quelconque des revendica- tions I et 2, caractérisé en ce que le corps fixe (26) présente, en coupe transversale, une forme de secteur circulaire, d'axe correspondant à l'axe du cylindre, et de rayon légèrement inférieur au rayon de la paroi intérieure (22) de la virole. 4. - Cylindre chauffant selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de transmission de calories entre le corps fixe (26) et la paroi intérieure (22) de la virole sont constitués par une lame de liquide (28), choisi pour sa stabilité à la température d'utilisation. 5. - Cylindre chauffant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide (28) assurant le contact entre le corps fixe (26) et la paroi intérieure (22) de la virole est choisi parmi les liquides fluorés ou les huiles silicones. 6. - Cylindre chauffant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps fixe (26) s'étend sur un secteur situé en-dessous de l'axe du cylindre, et en ce que le niveau du liquide de contact (28) est également situé en-dessous de l'axe du cylindre. 7. -Cylindre chauffant selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de régulation de température comportant une sonde (29) de mesure de la température située dans le corps fixe (26) à proximité de l'espace rempli par le liquide de liaison entre le corps chauffant fixe et la paroi intérieure de la virole.