Brevet FR2611438A1 — publié le 19880909

L'invention concerne une nouvelle conception de four chauffé par un fluide thermique et le mode d'assemblage correspondant. Ce type de four peut servir a toutes sortes de cuisson, et, notamment la cuisson du pain, des viennoiseries, patisseries pizzas, etc... Il est bien connu que la-qualité de la cuisson du pain reste le point clé de sa qualité finale.~ Depuis plusieurs décennies, les fours ont évolué en fonction des restructurations économiques de ce secteur et .de'la demande de la clientèle. A l'origine, les fours étaient. avec sole et voté ~en pierre qui était préalabement chauffée au feu de bois puis le pain était cuit par rayorinement infrarou-ge provenant de la chaleur emmagasinée dans a pierre. Ce n'était pas un four facile a exploiter parce qu'il était long a chauffer et le contrele de température ait impossible. La productivité était mauvaise.Puis on a remplacé le bois par le mazout ce qui donnait un peu plus de souplesse. Mais le premier gain de productivité significatif a été obtenu lorsqu'on a créé le four a soles fixes multiples, superpopsées, de manière a ce que la sole de l'étage considéré puisse servir de volte a l'étage inférieur, chaque étage constituant un four a lui tout seul. L'inconvénient de ce genre de four réside d'une part, dans son mode de chargement et de déchargement qui reste traditionnel. Lorsque sont nées les premières "usines a pain", on a conclu des fours continus, genre tunnel, qui sont des fours de haute prodAtivité, adaptés a la cuisson de grandes quantités de pains ident~iques, mais qui présentent l'inconvénient de manquer de plus en plus de souplesse : en effet, la demande évoluant vers la diyersification des pains cela entrante une diminution Ve l'importance des séries de fabrication. Puis sont apparus les fours rotatifs a air pulsé où la cuisson est obtenue par un balayage a l'air chaud et où l'homogénéité de cuisson est obtenue par la rotation de la charge a cuire. Le chargement de ces fours se fait par un chariot qui a été rempli a l'extérieur du four, que l'on rentre a l'intérieur et qui y reste pendant toute la cuisson. C'est en faisant tour-ner le chariot sur son support qu'on homogénise la cuisson. Ces fours permettent une grande souplesse et une bonne productivité puisque le chargement et le déchargement se fait par entrée et sortie du chariot. Ils ont peu d'inertie thermique, donc leur mise en température est rapide.L'inconvénient majeur de cs procedé est qu'il dessèche le pain, ce qui est tre nuisible pour sa qualité; ensuite, il y a des problèmes de la maintenance des pièces en mouvement qui travaillent a des températures de 250 a 300 C, ce qui pose des problèmes de mécanique.Pour résoudre ces problèmes, tout en gardant le concept du four chargé et déchargé en une seule fois et de faible inertie thermique, on a imaginé des fours avec des plateaux de cuisson métalliques rectangulaires, superposés ,et régulièrement espacés-. Ces derniers sont pårcourus~lpar un serpentin dans lequel circule un fluide thermique la la température de cuisson du pain. Le fluide thermique est réchauffe dans une chaudière puis envoyé dans les plateaux a l'aide d'une pompe. Le chariot de chargement est formé de grilles horizontales de forme légèrement plus petite que les plateaux, fixées uniquement & l'arrière et supportant le pain a cuire.Chaque grille vient s'intercaler librement entre deux des plateaux de cuisson chauffés par huile thermique. La cuisson se fait par rayonnement comme dans les fours a sole fixe, mais le chargement se fait en une seule fois, comme dans les fours a air pulsé. avec un chariot qui peut être chargé d l'extérieur. Ce type de four concilie donc les avantages des deux procédés précédemment décrits. Dans les versions disponibles de ces fours, on constate que l'alimentation et l'évacuation du fluide thermique se fait, pour chaque plateau, en passant des tuyauteries a travers les parois du four. Cette conception pose le problème des raccordements de tuyauteries et de leur étanchéité, compte tenu des températures en jeu qui sont de 250 a 300"C et des chocs thermiques, lors des arrêts et des démarrages. De plus, c'est une technique de construction conteuse en montage et maintenance. La chaudière b fluide thermique est indépendante du four; elle est posée parterre et l'installation comporte en outre un bac d'expansion, situé à une hauteur élevée, qui permet de recueillir l'excédent de fluide thermique résultant de sa dilatation lors de sa montée en température.Tout cela implique des tuyauteries nombreuses avec des joints susceptibles d'entre a l'origine de fuites et prend beaucoup de place du fait de la séparation des fonctions; La pompe de circulation du fluide thermique qui est une pompe centrifuge, est solidaire de la chaudière, et est en permanence en charge; Si cette configuration est favorable pour scn démarrage, il est difficile d'en étancher les fuites, notamment au presse-étoupe et encore plus de récupérer les pertes d'huile car il faut d'une part, les drainer et d'autre part, les remettre ert -pression pour les réinjecter dans le circuit. L'invention que nous allons décrire permet de résoudre ces problèmes et de réaliser un compromis extrtmement performant dans la conception et la construction du four, permettant de bénéficier. au maximum des avantages procurés par l'emploi du fluide thermique pour la qualiEe de cuisson du pain , sans en -avoir-lws inconvénients, le tout constituant, dans sa version la plus élaborée , un ensemble extremement compact, rapide a monter et a installer. La Figure 1 représente l'armoire métallique calorifugée avec ses cornières de support des plateaux de cuisson et7 éventuellement, de la chaudière intégrée. La Figure 2 représente le bloc de plateau de cuisson mécano-soudé avec les tuyauteries d'alimentation et d'évacuation du fluide thermique susceptible d'etre monté dans une armoire de type présenté Fig.1. La Figure 3 représente le détail d'un plateau de cuisson du bloc mécano-soudé de type de la Fig.2. La Figure 4 représente un bloc mécano-soudé du type de celui de la Fig.2 avec une chaudière (13) intégrée en série sur l'alimentation de ce bloc, le tout entrant dans une armoire du type de celle représentée Fig.1, ainsi que le bac d'expansion (21),la pompe (20) et les tuyauteries de liaison qui sont, eux, extérieurs a l'armoire. La Figure 5 représente une coupe d'un plateau formé de-doux tales embouties soudées et son assemblage avec la tuyauterie d'alimentation ou de retour. On réalise une armoire atetallique isolée thermiquement Fig.1, constituant l'enveloppe du four. Dans cette armoire, on place un bloc mécano-soudé Fig.2, comprenant les plateaux rectangulaires (i) munis de leur serpentin (2) Fig.3,dont les tuyauteries d'entrée (27) et de sortie (28) sont soudées, avec leurs tuyauteries communes d'alimentation (3), et d'évacuation (4). Nous appelons, pour commodité, serpentin, le circuit de, fluide thermique dans le plateau, mais il peut avoir toute forme ou conception susceptible d'assurer une bonne répartition de la chaleur fournie.Il y a d'abord une tuyauterie d'alimentation (3)Fig.2, sur laquelle viennent se brancher en parallèle les tuyauteries d'entrée (5) des serpentins de chacun des plateaux; la tuyauterie de sortie t6) de chaque serpentin estbranchée en parallèle sur la tuyauterie d'évacuation (4). Les tuyauteries (3) et (4) sont de gros diamètre pour limiter les vitesses et donc les pertes de charge et faire en sorte que les différents plateaux (1). soient alimentés en fluide thermique de fanon sensiblement identique. Les tuyauteries (3) et (4) servent de support aux plateaux de cuisson (1), qui sont en porte a faux, pendant toute la phase de montage du four.Elles sont situées au voisinage des extrémités d'un méme cotte (7) des plateaux de cuisson (1), comme le montre la Fig.Z, tandis que les trois autres cOtés des plateaux sont complètement dégagés. Dans une version préférée de l'invention, le circuit est formé par soudure de deux tales (36) et (37) Fig.5 embouties de manière a déterminer une cavité (39) constituée d'un circuit de circulation du fluide thermique. Le tube (33) d'alimentation ou de retour a la chaudière passe directement a travers des orifices percés dans les tales (36) et (37) aux extrémités du circuit et deux cordons de soudure (34) et (35) assurent l'étanchéité et la tenue mécanique.Un orifice (38) de forme allongée pratiqué dans le tube (33) s'ouvrant dans la cavité (39) assure le passage du fluide thermique du tuyau d'alimentation vers la cavité (39) et de la cavité (39) vers le tube de retour a l'autre bout du circuit. L'avantage d'une telle disposition est que l'on allie l'économie obtenue par l'utilisation de tôles embouties pour fabriquer les plateaux et par la. facilité de réalisation de la soudure avec l'obtention d'une grande rigidité de l'ensemble, parce que les tubés d'alimentation passent a travers les plateaux. Lorsqu'on introduit le bloc mecano-soude dans l'armoire Fig.1, le cOté (7) Fig.Z des plateaux de cuisson (1) où se trouvent les tuyauteries (3) et (4) se place au fond tandis que les cOteç latéraux (8) et (9) viennent s'appuyer sur les cornières latérales (10) Fig.1 de l'armoire, prévues a cet effet-. Une fois les plateaux de cuisson (1) en place sur les cornières (10), ce sont les plateaux (1) qui portent les tuyauteries (3 > et (4); l'ensemble mécano-soudé ne supporte plus les contraintes qui étaient dOes au porte a faux et il peut se dilater librement en fonction de ses variations de température sans provoquer de contraintes significatives au niveau des soudures de raccordement des tuyauteries (3) et (4) avec les tuyauteries (5) et (6). Dans cette configuration on n'aura que deux tuyauteries qui sortiront du four vers la chaudière. Afin de faciliter la purge de l'air dans les serpentins (2) Fig.3 des plateaux (1), on a intérêt a mettre l'arrivée (29) Fig.2 et le départ (30) en haut du four.Pour équilibrer les pertes de charge entre les circuits constitués par chaque plateau il faut faire circuler le fluide thermique dans les tuyauteries de distribution (3) Fig.2 et de collecte (4) de haut en bas.En -ctmséquence, la tuyauterie (4) qui recueille le fluide thermique a la sortie (6) des plateaux (1) finit sa collecte au plateau le plus jas (11) et doit Entre prolongée par la tuyauterie (12) qui remonte pour sortir en (30) du four et aller vers la chaudière. Cette façon de procéder permet d'effectuer rapidement l'assemblage du four dont l'armoire Fig.1 peut pratiquement être terminée au moment du montage du bloc mécano-soudé Fig.2. Dans une variante préférée de l'invention, la chaudière est électrique (13) Fig.4; elle a la même forme générale que les plateaux, elle est solidaire du bloc mécano-soudé et s'introduit a l'intérieur de l'armoire Fig.1 du four, en même temps que ce dernier. Elle est de forme parallèlépipédi-que et comporte un circuit interne de circulation du fluide thermique ainsi que principalement toute une série d'épingles électriques de chauffage (15) disposées de manière a obtenir une température homogène du fluide a la sortie. Elle est placée au dessus du dernier plateau (16 > 1 si bien que Sa, face inférieure (17) sert de voûte a celui-ci pour constituer le dernier étage de cuisson. La chaudiere comporte une tuyauterie de sortie soudée directement sur la tuyauterie t'alimentation (32 des plateaux (1) tandis que la tuyauterie d'entrée (31} est raccordée par un joint (14) au refoulement (19) de la pompe de circulation (20) qui est extérieure au four, ainsi que le bac d'expansipn (21). La sortie (30) du bloc mécano-soudé est, de son côté, reliée a la tuyauterie-*d'åspiration (26) te la pompe (20) par l'intermédiaire du joint . tans cette configuration, on voit que, comme précédemment, on ramène a deux joints (14) et (32) l'interface entre les éléments du circuit internes et externes au four.Dans le contexte de la Figure 2, cela revient d intercaler de manière rigide la chaudière en série entre l'entrée (29) et la tuyauterie 43). Les épingles de chàuffaQe comme les sondes de température correspondantes sont,- de leur côté, raccordées re-spectivement a l'armoire de puissance et a l'armoire de régulation électriques qui sont extérieures. Dans un perfectionnement préféré de l'invention, le bac d'expansion (21) du fluide thermique est de forme générale parallèlépipédique ayant une surface de base sensiblement égale à celle du four et il est situé immédiatement sur le sommet du four sur lequel il prend appui. Sa grande surface de base a pour conséquence que les variations de volume du fluide thermique., dans le circuit n'ont que faible influence sur la variation du niveau du fluide thermique qu'il contient.On place la pompe de circulation (201, qui est une pompe centrifuge, de manière a ce que son axe moteur (23) soit vertical et & ce que le palier (22) de son axe moteur (23) se situe au-dessus du niveau du bac d'expansion (21). Une première conséquence réside en ce que toutes les fuites qui se produisent ne peuvent se produire qu'au niveau du palier (22) où il est aisé de les drainer et de les renvoyer immédiatement par une tuyauterie (24) dans le bac d'expansion (21) où le fluide thermique retombe par gravité. Il faut noter que, en fonctionnement, le fluide thermique, qui est au contact du palier (22), est, par construction de la pompe, en surpression par rapport & l'extérieur et qu'il ne peut y avoir de pénétration d'air.L'inconvénient de cette disposition réside r. essentiellement dans l'amorçage de la pompe (20) au démarrage car si la charge de la pompe est insuffisante il y a risque de cavitation. De même, a l'arret, il peut y avoir pénétration d'air dans le circuit de fluide thermique par le palier (22) du fait de sa position au dessous du niveau du bac d'expansiotn (21). En fait, toine nous l'avons dit précédemment, le niveau du fluide thermique dans le bac d'expansion va-rie peu et la pompe est placée de maniere & ce que les cavités principales ainsi que les tuyauteries d'aspiration (26) et de refoulement (19), qui, par ailleurs, ne présentent pas de points hauts où l'air pourrait s'accumuler, soient en dessous de ce niveau. En conséquence, lorsqu'elle est a l'arret, la pompe est maintenue pleine de fluide thermique par l'équilibre avec le niveau du bac d'expansion. Dans l'hypothèse où une quantité anormale d'air ou de gaz aurait pénétré dans le circuit et qu'elle n'ait pu être évacuée par la tuyauterie (25) dans le bac d'expansion (21), elle viendra s'accumuler pendant la phase d'arrêt au point haut, c'est a dire au contact du palier (22) abaissant ainsi le niveau de fluide dans la pompe (20) en dessous du niveau du bac d'expansion (21); il apparat immédiatement une légère surpression qui tend a évacuer le gaz a travers le palier (22). Il y a donc un phénomène de régulation de la quantité d'air pouvant entre contenu dans le circuit. L'expérience montre qu'il suffit d'une tuyauterie (25) entre le tac d'expansion (21) et la tuyauterie d'admission (26) de la pompe pour éliminer tout problème d'amorçage. La tuyauterie (25) sert aussi à évacuer vers le bac d'expansion le fluide thermique devenu excédentaire dû a la dilatation du liquide lors de son réchauffage.Il faut noter, comme nous l'avons précédemment évoqué, que la disposition choisie pour les divers éléments, plateaux de cuisson (14), chaudière (13), bac d'expansion (21), qui sont superposés les uns aux autres favorise particulièrement l'élimination par gravité de l'air des circuits qui s'évacue en final par le bac d'expansion où il arrive soit par la tuyauterie (25) soit par le palier (22) et la tuyauterie (24). En résumé, dans cette disposition, la seule pièce mobile est la pompe (20) et le seul endroit où il peut y avoir un problème est le palier (22). A l'arret, le niveau de fluide thermique étant situé au-dessous du palier (22), il n'y a pas de fuite.En fonctionnement, le palier (22) se trouve au contact d'une zone en surpression et il peut passer un peu de fluide thermique a travers, mais il est immédiatement drainé et retombe dans le bac d'expansion (21) par gravité grâce a la tuyauterie (24). Enfin, pour améliorer la qualité et la régularité de la cuisson, nous utilisons des tuyauteries (3) et (4) de gros diamètre pour limiter les pertes de charge par une vitesse faible au niveau des alimentations et évacuations et avoir une vitesse de circulation élevée dans les plateaux (1) de manière a avoir une faible différence de température entre l'entrée (5) et la sortie (6). Une des conséquences est que, les tuyauteries (3) et (4) qui sont a la mtme température que les plaques risquent entre un élément de perturbation de la cuisson par leur rayonnement. Nous avons résolu le problème en faisant en sorte que le coefficient d'émissivité par rayonnement soit très différent en ajoutant sur la tuyauterie un revêtement clair tandis que les plateaux de cuisson sont recouverts d'un revtesrent noir mat. Cette façon de procéder ayant pour effet d'annuler pratiquement l'influence des tuyauteries sur la cuisson du pain. Une autre façon de procéder est de les isoler de manière a ce que la température de la surface de l'isolant ne 'soit pas significativement différente de celle des parois latérales du fou:. Un autre aspect de cette conception de four est que l'ensemble du four et de ses annexes se trouvent rassemblés dans une forme parallépipédique compacte qui se manipule comme une simple armoire qu'il suffit de raccorder électriquement pour sa mise en service REVENDICATIONS i - Le four chauffé par fluide thermique est caractérisé en ce que les plateaux- de cuis-son (i) font partie d'un ensemble mécano-soudé rigide Fig.2, obtenu par soudure des tuyauteries d'entrée (5) et de sortie (6) du circuit de chauffage (2) de chaque plateau de cuisson (1) respectivement sur les tuyauteries communes d'alimentation (3) et de retour (4), susceptible d'être introduit d'un bloc dans l'armoire thermo-isolée Fig.1 de manière & ce que chaque plateau (1) soit en appui sur des corniereas t10) latérales solidaires de armoire, et limitant a l'entrée (29) et la sortie 2 - Le four chauffé par fluide thermique suivant la revendication précédente est caractérisé en ce que les plateaux sont constitués de deux tales (36) et (37), embouties et soudées, a travers lesquelles passe la tuyauterie (33) d'alimentation ou d'évacuation qui est percée d'un orifice de communication (38) et soudée aux tales par les cordons de soudure (34) et (35). 3 - Le four chauffé par fluide thermique suivant une quelconque des revendications prrécédentes est caractérisé en ce que la chaudière (13) est intégrée en série au bloc mécano-soudé et fait partie de l'ensemble qui est monté a l'intérieur de l'armoire thermo-isolée. 4 - Le four chauffé par fluide thermique suivant l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisé en ce que 'la pompe centrifuge (20) est disposée avec son axe moteur (23) vertical, et avec le palier (22) au dessus -du niveau du fluide thermique dans le bac d'expansion (21) tandis quetts principales cavités de la pompe (20) ainsi que les tuyauteries (19) et (26) sont en dessous de ce niveau.