Brevet FR2582094A1 — publié le 19861121

DISPOSITIF POUR RACCORDER DES TUBES PARALtELES DANS UN ECHANGEUR THERMIQUE La présente invention concerne d'une manière générale les problèmes de raccordement aux extrémités de paires de tubes d'un échangeur thermique notamment à contre-courant, et les problèmes d'échange thermique entre les fluides à ces extrémités. Plus particulièrement, elle a trait à un dispositif pour raccorder des extrémités de deux tubes intérieurs parallèles disposés respectivement à l'intérieur de deux tubes extérieurs dans un échangeur thermique, le dispositif comprenant un premier conduit intermédiaire communiquant avec l'intérieur des extrémités des tubes intérieurs. Parmi les dispositifs connus pour raccorder dans un réchauffeur, on peut citer celui décrit dans le brevet franchis FR-B-2 269 874. Un tel dispositif raccorde des extrémités de deux tubes intérieurs dans lequel circule un liquide alimentaire alcoolisé ou non, tel que vin, cidre, bière, jus de fruits, de légumes ou de viande, sauces, lait ou autre, à traiter avant conditionnement pour distribution. A chacune des extrémités de l'enceinte du réchauffeur, les extrémités des tubes intérieurs traversent une chambre de fluide caloporteur, tel qu'eau chaude, avant de pénétrer dans un flasque interne d'une bride terminale du réchauffeur. Les tubes extérieurs entourant chacun un tube interne sont plus courts que les tubes intérieurs et communiquent tous avec la chambre d'eau chaude.Un flasque externe de la bride est boulonné contre le flasque interne avec interposition d'un joint en matière élastique. Des canaux sont pratiqués dans le flasque externe pour former des premiers conduits intermédiaires reliant chacun une extrémité de sortie d'un tube intérieur à une extrémité d'entrée d'un autre tube intérieur, afin de relier en série les tubes intérieurs et ainsi constituer un chemin tubulaire continu pour le liquide alimentaire. Dans les dispositifs pour raccorder inclus dans ce type d'échangeur thermique, le liquide alimentaire à réchauffer est complètement séparé du fluide caloporteur par le flasque interne et de l'extérieur par le flasque externe, ce qui diminue le rendement thermique de l'échangeur. L'échange thermique entre le fluide et le liquide est également relativement réduit du fait que le fluide caloporteur circule toujours dans le même sens, d'une extrémité à l'autre de l'enceinte thermique, et donc une fois sur deux dans le même sens de circulation que le liquide alimentaire à réchauffer. Par ailleurs, le raccordement deux à deux des extrémités des tubes intérieurs nécessite des pièces démontables et donc sujettes à usure, et encombrantes. Le joint élastique entre flasques permet de pallier à cet inconvénient mais par sa nature et son montage augmente l'apport de microbes et germes infectieux pouvant nuire à la qualité du liquide alimentaire traité. L'invention vise a remédier aux inconvénients selon la technique antérieure, et notamment à augmenter l'absorption calorifique et les conditions aseptiques au niveau des raccords des extrémités des tubes intérieurs. A cette fin, un dispositif pour raccorder tel que défini dans l'entrée en matière est caractérisé en ce qu'il comprend une pièce tubulaire reliant les tubes extérieurs, et une cloison interne fixée sensiblement perpendiculairement aux extrémités des tubes intérieurs et diamétralement dans la pièce tubulaire pour partager celle-ci en le premier conduit et un second conduit communiquant avec des espaces annulaires entourant les tubes intérieurs et entourés par les tubes extérieurs. Le fluide, par exemple caloporteur, circulant dans lesdits espaces annulaires cède encore de la chaleur avec le liquide alimentaire dans le dispositif, uniquement par l'intermédiaire de la cloison mince, le changement de direction du fluide et du liquide aux extrémités de l'échangeur n'offrant ainsi pratiquement aucune déperdition calorifique. En outre, dans un échangeur comportant des dispositifs- pour raccorder selon l'invention, le fluide peut circuler en sens contraire du liquide, le long du parcours complet de celui-ci, ce qui permet de parvenir à un haut rendement thermique d'échange, notamment lorsque le fluide est de l'eau glycolée. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, la cloison est soudée à la pièce tubulaire et aux extrémités des tubes intérieurs, et les extrémités de la pièce tubulaire sont soudées aux extrémités des tubes extérieurs. Le dispositif ne comporte ainsi aucune pièce de raccordement et aucun joint et offre donc une meilleure asepsie. En outre, la pièce tubulaire est obtenue par emboutissage et coudage à 1800 et le dispositif est ainsi un ensemble monobloc robuste de constitution simple et peu onéreuse. En particulier, des dispositifs selon l'invention peuvent remplacer les chambres d'eau chaude et les canaux intermédiaires aux extrémités des réchauffeurs selon la technique antérieure, moyennant un coût de réparation relativement faible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparattront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la Fig.l est une vue en coupe diamétrale et coplanaire aux axes de deux paires parallèles de tubes, d'un dispositif de raccordement selon l'invention inclus dans un échangeur thermique ; et - la Fig.2 est une vue en perspective du dispositif, en partie arrachée au niveau d'un coin de celui-ci. En référence aux Figes. 1 et 2, un dispositif 1 selon l'invention est destiné à raccorder des extrémités voisines de deux paires parallèles de tubes métalliques droits coaxiaux, disposées ici horizontalement dans une enceinte d'échangeur thermique. Chaque paire de tubes comprend un tube intérieur respectif 21, 22 et un tube extérieur respectif 31 32. l'échangeur est par exemple inclus dans une installation de traitement thermique d'un liquide alimentaire, dans laquelle le liquide alimentaire L circule de haut en bas, d'une extrémité de sortie du tube intérieur supérieur 21 vers une extrémité d'entrée du tube intérieur inférieur 22, et un fluide F circule de bas en haut, d'une extrémité de sortie du tube extérieur inférieur 32 vers une extrémité d'entrée du tube extérieur supérieur 31.Plus précisemment, le fluide F s'écoule -d'un espace annulaire entourant le tube intérieur 22 et entouré par le tube extérieur 32 vers un espace annulaire entourant le tube intérieur 21 et entouré par le tube extérieur 31. Selon le cas, le fluide F est caloporteur pour réchauffer le liquide L ou ou est frigoporteur pour refroidir le liquide L. Selon d'autres variantes, les paires de tubes sont disposées parallèlement dans un même plan horizontal. Le dispositif pour raccorder 1 est conformé en un coude à 1800 composé de deux pièces métalliques, savoir une plaque verticale mince 4 formant une cloison interne étanche séparant le liquide L et le fluide F dans le coude, et une pièce emboutie tubulaire externe 5 contenant la cloison 4 et raccordant les extrémités des tubes externes 31 et La cloison 4 est disposée de préférence diamétralement dans un tronçon intermédiaire tubulaire et vertical 50 de la pièce 5 et perpendiculairement a des extrémités 201 et 202 des tubes 2 et 22 qui ont été dégagées des tubes extérieurs respectifs 31 et 32 après sciage diamétral de ceux-ci en 301 et 302 A des extrémités supérieure et inférieure semi-circulaires 401 et 402 de la cloison 4 sont prévues deux ouvertures circulaires 411 et 412 ayant un diamètre égal au diamètre interne des tubes intérieurs 21 et 22. Sur les# pourtours des ouvertures 411 et 412 sont soudées les extrémités 201 et 202. De préférence, le soudage des pièces du coude est effectué sous argon avec protection par gaz neutre pour éviter toute oxydation intérieure dans les tubes. Les extrémités 401 et 402 de la cloison 4 ont des chants semi-circulaires 421 et 422 ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre interne des tubes extérieurs 31 et 32 afin de les souder à l'intérieur de deux tronçons extrêmes 511 et 512 de la pièce 5, destinés à prolonger les tubes 31 et La pièce 5 est une pièce monobloc obtenue par emboutissage d'une plaque métallique ayant des dimensions adéquates pour obtenir le coude 1. L'emboutissage \ consiste, selon un exemple de fabrication, d'abord a obtenir deux quarts de sphère, formant des coins 521 et 522 du coude, un demi-cylindre externe du tronçon intermédiaire 50 joignant les coins 521 et 522 et destiné à former avec la cloison 4 un premier conduit intermédiaire semi-cylindrique 53 pour le liquide L, et deux demi-cylindres externes parallèles en regard formant parties des tronçons extremes 511 et 512. Puis les chants semi-circulaires extrêmes 421 et 422 de la cloison 4 sont soudés aux sections des coins 521 et 522 dans le plan diamètral du tronçon 50, et des chants rectilignes 43 de la cloison 4 sont soudés aux bords du demi-cylindre externe du tronçon 50 pour former le conduit 53 reliant le tube 21 au tube 22 a travers les ouvertures 411 et 412.Enfin, la pièce 5 est de nouveau emboutie afin de former le tronçon intermédiaire cylindrique 50 et les tronçons extrêmes cylindriques 511 et 512, ayant tous un diamètre égal a celui des tubes externes 31 et 32' par soudage de chants réunis de ces tronçons du coté de deux encoignures à 900 541 et 542 du coude. Les extrémités tubulaires des tronçons 511 et 512 sont ensuite soudées en 301 et 302 aux extrémités des tubes extérieurs 31 et 32 et entourent complètement les extrémités 201 et 202 des tubes intérieurs 21 et 22. Les soudages de pièces s'effectuent par rapprochement ét/ou recouvrement de pourtours biseautés des pièces. Le coude 1 reliant ainsi les paires de tubes offre le conduit 53 dans lequel descend la liquide alimentaire L du tube 21 vers le tube 22, et un second conduit intermédiaire semi-cylindrique 54 du tronçon intermédiaire 50 entre les encoignures 541 et dans lequel monte le fluide caloporteur ou frigoporteur F du tube vers le tube 31. Le fluide F ayant circulé rectilignement dans le tube inférieur 32 arrive au niveau de l'entrée 302 du coude, avec une température non uniforme dans sa masse du fait d'une différence de température entre les parois du tube intérieur 22 dans lequel circule le liquide L et la paroi externe du tube 32 baignée soit dans le fluide lui-même, soit dans l'air contenu dans l'enceinte de l'échangeur. Lorsque le fluide F pénètre dans la portion de coude a 900 inférieure entre l'encoignure 542 et 1 l'extrémité semi-circulaire 402 de la cloison 4, le fluide F subit une première turbulence, comme indiqué par des flèches F2. Le fluide est également brassé entre l'encoignure 541 et l'extrémité semi-circulaire 401 de la cloison 4, après avoir traverse le conduit 55.Lorsque le fluide F pénètre dans le tube supérieur il ilest sensiblement renversé de 1800 par rapport son écoulement dans le tube 32 et soumis à brassage et turbulence ce qui confère une température pratiquement uniforme au fluide à l'entrée du tube 31 et une meilleure absorption calorifique. Ces brassage, turbulence et renversement du fluide ne présentent que des pertes de charge très réduites, tous les angles internes dans le coude étant arrondis.Contrairement à la technique antérieure évoquée ci-dessus, l'échange thermique entre le fluide F et le liquide L est encore assuré dans le coude lui-même, à travers la cloison mince 4 séparant le conduit de fluide 55 et le conduit de liquide 53, si bien que pratiquement, la traversée du coude 1 assure la continuité de l'échange de chaleur entre le fluide et le liquide. Par ailleurs, le coude 1 est raccordé notammant aux tubes intérieurs en 411 et 412 par soudures uniquement et donc sans faire appel à des joints, presse-étoupes ou analogues, ce qui assure une meilleure asepsie vis-à-vis du liquide alimentaire. L'absence d'angles morts dans le coude permet un nettoyage efficace des tronçons 201, 50 et 202 parcourus par le liquide L au moyen d'un liquide détergent de lavage puis d'un liquide de rinçage même à petit débit. En outre, le coude est de construction simple et robuste, et n'offre aucune pièce démontable et soumise à usure, ce qui permet de réaliser un échangeur compact. A titre d'exemple d'application, un échangeur thermique comprenant des coudes selon l'invention 'invention peut remplacer le réchauffeur décrit dans le brevet FR-B-2 269 874, dans lequel est réalisé un échange thermique entre de l'eau chaude et un liquide alimentaire à "thermoliser". Cependant selon une autre application complémentaire, l'échangeur est un refroidisseur dans lequel entre le liquide alimentaire à traiter à une température basse de l'ordre de 5 à 100C et récupère de la chaleur du liquide traité sortant du réchauffeur à une température d'environ 900C sortant du réchauffeur. En sortie du refroidisseur jouant le rôle de récupérateur de chaleur, le liquide traité sort à une température de l'ordre de 200C suite à une cession de chaleur au liquide à traiter qui pénètre dans le réchauffeur. Le liquide à traiter et le liquide traité sont utilisés comme fluide frigorigène et comme fluide caloporteur respectivement, et circulent à contre-courant dans le récupérateur de chaleur. L'adjonction du récupérateur au réchauffeur permet ainsi d'augmenter le rendement thermique de l'installation de traitement. Notamment, les échangeurs selon l'invention convienne#nt tout particulièrement au traitement thermique d'un liquide pulpeux ou à haute viscosité qui circule à une relative grande vitesse, de l'ordre de 50 M/mn, avec turbulence, évitant ainsi tout gratinage et/ou caramélisation à haute température. Par ailleurs, un fluide frigoporteur peut être de l'eau glycolée. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour raccorder des extrémités de deux tubes intérieurs parallèles (21, 22) disposés respectivement à l'intérieur de deux tubes extérieurs (31 32) dans un échangeur thermique, le dispositif comprenant un premier conduit (53) intermédiaire communiquant avec l'intérieur des extrémités (201, 202) des tubes intérieurs, caractérisé en ce qu'il comprend une 2 pièce tubulaire (5) reliant les tubes extérieurs (31 3 32)' et une cloison interne (4) fixée sensiblement perpendiculairement aux extrémités (201, 202) des tubes intérieurs et diamétralement dans la pièce tubulaire (50) pour partager celle-ci en le premier conduit (53) et un second conduit (55) communiquant avec des espaces annulaires (F) entourant les tubes intérieurs (21, 22) et entourés par les tubes extérieurs-(31 32)- 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (4) est une plaque ayant des chants extrêmes sensiblement semi-circulaires (421, 422) et des chants rectilignes (43) soudés à l'intérieur de la pièce tubulaire (5) et pourvue d'ouvertures circulaires (411, 412) soudées aux extrémités (201, 202) des tubes intérieurs (21, 22). 3 - Dispositif conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce tubulaire (5) comporte des tronçons tubulaires extrêmes (511, 512) entourant les extrémités (201, 202) des tubes intérieurs (21, 22) et soudés à des extrémités (301, 302) des tubes extérieurs (31 32), et un tronçon tubulaire (50) intermédiaire entre les tronçons extrêmes (511, 512) et contenant la cloison (4). 4 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce tubulaire (5) est une pièce monobloc coudée à 1800 obtenue par emboutissage. 5 - Echangeur thermique du type réchauffeur, refroidisseur ou récupérateur thermique, comprenant une pluralité de paires parallèles de tubes intérieur et extérieur coaxiaux (21, 31 ; 22' 32) dans lesquels circulent deux fluides (F, L), caractérisé en ce que les paires de tubes (21, 31 ; 22 32) sont raccordées deux à deux par des dispositifs pour raccorder (1) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6 - Echangeur thermique conforme a la revendication 5, caractérisé en ce que les fluides (L, F) circulent à contre-courant dans les tubes intérieurs et extérieurs (21, 31 ; 22, 32)