Brevet FR2646897A1 — publié le 19901116

! Dispositif et équipement d'échange thermique avec agitation La présente invention concerne à la fois un dispositif d'échan- ge thermique avec un milieu liquide, et un équipement complet d'échange thermique incorporant un tel dispositif. La présente invention est exposée, décrite et explicitée par référence au traitement des vins, et plus précisément de leur clarifica- tion; mais il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée à ce domaine particulier d'application, et peut être mise en oeuvre dans bien d'autres domaines ou circonstances, dès lors qu'il s'agit d'échanger de la chaleur avec un milieu liquide, c'est à dire refroidir et/ou réchauffer ce dernier. En ce qui concerne la clarification des vins, il s'agit notam- ment de séparer ou éliminer les particules de tartre en suspension, préala- blement à l'embouteillage du vin. Ces particules consistant en différents sels d'acide tartrique sont en effet susceptibles de se déposer dans le fond des bouteilles, ce qui nuit à la bonne présentation des mêmes bouteil- les, et ce qui ne plait pas au consommateur, même si le tartre en question n'altère en aucune manière les qualités organoleptiques des vins. On procède à cette clarification par l'action du froid, essen- tiellement selon trois procédés. Un premier procèdé, dit de stabulation, consiste à refroidir le vin, sans agitation, à une température proche, mais au-dessus, de son point de congélation. Ce refroidissement provoque la précipitation des sels tartrique, lesquels sont séparés par simple décantation. Un deuxième procèdé, dit contact, consiste à refroidir le vin à une température un peu plus élevée que la température de traitement du procédé précédent, voisine de 0 C, et à saturer préalablement le vin traité avec des sels de tartre dits "crème de tartre". Ces deux actions entraînent la précipitation du tartre. Un troisième procèdé, dit continu, consiste à refroidir le vin à une température proche de son point de congélation, et à l'agiter en continu, de manière à favoriser la nucléation des sels de tartre, et donc leur précipitation. Tous ces procèdés sont mis en oeuvre à l'extérieur des cuves de stockage du vin, dans des récipients appropriés de traitement, avec des échangeurs thermiques plus ou moins compliqués, compte tenu des contraintes exposées ci-après. Une première contrainte a trait à la formation de glace sur les parois de l'échangeur au contact du vin. Ceci nécessite d'associer à l'échangeur un dispositif de raclage. S'agissant d'échangeurs du type serpentins en acier inoxydable, on leur associe parfois un agitateur tendant à éviter la formation de glace; mais ceci rend leur agencement relative- ment compliqué et peu maniable. Une deuxième contrainte a trait au fluide caloporteur utilisé dans l'échangeur. Souvent le fluide frigorigène du groupe frigorifique circule directement dans l'échangeur, ce qui représente un risque important en termes de sécurité, notamment en cas de fuite du fluide frigorigène dans la cuve de traitement du vin, cette dernière n'étant pas en général conçue pour supporter des pressions importantes. Pour limiter ou écarter ce risque, on a tout d'abord proposé des échangeurs à double enveloppe, ce qui complique un peu plus le disposi- tif d'échange thermique. On a aussi proposé de faire circuler dans l'échan- geur un fluide caloporteur intermédiaire, du type glycol. Mais là encore, on peut être confronté à des fuites d'un produit polluant dans le vin. Au total, s'agissant du détartrage des vins, il reste à conce- voir un dispositif d'échange thermiqued& O'ructure et d'utilisation particu- lièrement simples, permettant tout à la fois, et au choix de l'utilisateur, un refroidissement efficace favorisant la précipitation, et/ou une agitation évitant la formation de glace, mais surtout provoquant la nucléation des cristaux de tartre. Et tel est l'objet de la présente invention. A cette fin, selon la présente invention, on propose un disposi- tif d'échange thermique comprenant: - un support adapté pour être disposé dans une ouverture supérieure d'un récipient, par exemple une cuve de stockage du vin; ce support comporte une entrée et une sortie pour un fluide d'échange thermique, par exemple un fluide intermédiaire caloporteur ou frigoporteur, - une stucture cylindrique souple d'échange thermique, montée sur le support, s'étendant en hauteur vers le bas, à partir dudit support; la paroi de cette structure permet le passage de part en part du liquide traité; et cette même paroi comporte au moins un conduit ou passage de circulation du fluide d'échange thermique, selon la hauteur de la struc- ture d'échange thermique, de l'entrée à la sortie du support, - un moyen d'agitation, tel qu'un moteur immergé avec hélice d'agitation dans un plan horizontal; ce noyau est suspendu à la partie basse de la structure cylindrique, et assure une circulation du liquide entre l'intérieur et l'extérieur de la structure cylindrique. Un tel dispositif apporte les avantages essentiels suivants, - lorsque le moyen d'agitation est en fonctionnement. D'une part, la suspension du moyen d'agitation au- manchon souple de la structure d'échange thermique, permet non seulement d'agiter le liquide localement, mais aussi d'imprimer un mouvement aléatoire à l'ensemble de la structure d'échange thermique, suspendue au. support. Ce mouvement d'ensemble permet d'agiter efficacement tout le milieu liquide, ce qui accrolît l'efficacité du refroidissement, mais aussi évite la formation de glace. Dautre part, l'agitation locale, proche du fond de la cuve. permet de balayer complètement cette dernière et de remettre en suspen- sion les particules de tartre déjà décantées, ou préalablement déposées au fond de la cuve. Ces particules constituent autant de germes de cristal- lisation du tartre restant en suspension dans le vin. Un dispositif selon l'invention permet d'utiliser tous les procèdés de détartrage traditionnels décrits précédemment. En particulier, dans un premier temps, 'l'utilisateur peut descendre la température de la cuve avec agitation, et dans un deuxième temps, sans agitation, mainte- nir la basse température atteinte, pour décanter le tartre formé dans le premier temps. Pour terminer, la configuration en hauteur, et la conformation souple du dispositif d'échange thermique selon l'invention permettent d'insérer ce dernier directement dans les cuves, y compris par des ouver- tures étroites. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure I représente de manière schématique, et en fonc- tionnement, un équipement d'échange thermique conforme à la présente invention, incorporant un dispositif d'échange selon cette dernière - la figure 2 représente, toujours de manière schématique, la configuration d'un équipement d'échange thermique selon l'invention Un équipement selon l'invention comporte les éléments princi- paux suivants - un dispositif d'échange thermique 1, immergé pour l'essen- tiel dans du vin 2 stocké dans une cuve 3 comportant à sa partie supérieu- re une ouverture 3a - une source frigorifique externe désignée de manière générale par la référence numérique 4 - un circuit 5 fermé de circulation d'un fluide intermédiaire caloporteur, bouclé sur le dispositif I d'échange thermique - un échangeur 6 de chaleur, distinct et extérieur au dispositif I d'échange thermique, assurant un transfert de chaleur, de chaud ou de froid, entre le fluide caloporteur et la source frigorifique externe 4, décrite ci-après. Le dispositif I d'échange thermique comprend quant à lui les éléments essentiels suivants: - un support 7, sous la forme d'une simple plaque, adapté pour être disposé dans l'ouverture supérieure 3a du récipient ou cuve 3; cette plaque comporte une entrée 8 et une sortie 9 pour le fluide d'échange thermique, et plus précisément le fluide caloporteur circulant dans le circuit fermé 5; la plaque 7 peut faire office de fermeture ou porte supérieure de la cuve 3, quand le dispositif 1 est immergé dans la charge de vin 2, - une structure cylindrique 10, souple, d'échange thermique, montée sur le support 7; cette structure s'étend en hauteur à partir de ce dernier, vers le bas; la paroi IOa de cette stucture permet le passa- ge du vin, et comporte au moins un conduit 11 de circulation du fluide caloporteur, selon la hauteur de la structure 10, de l'entrée 8 à la sortie 9 du support 7 - un moyen d'agitation 12, fixé et suspendu à la partie basse de la structure cylindrique 10, assurant une circulation du vin, entre l'intérieur et l'extérieur de la même structure 10; ce moyen comporte de manière traditionnelle un moteur électrique d'entraînement 13, comman- dé électriquement, et une pale 14 d'agitation, disposée dans un plan horizon- tal, au niveau de l'extrémité basse de la structure 10. La structure 10 cylindrique et souple est obtenue à partir d'au moins un tube Il continu, conformé en serpentin à spirales non jointi- ves, de la partie haute à la partie basse de la structure 10. Ce tube est constitué par un matériau plastique semi-rigide, tel que le polyéthylène haute densité et réticulé, présentant une neutralité par rapport au vin traité, et préservant les propriétés organoleptiques de ce dernier. Le tube 1l communique à une extrémité avec l'entrée 8 et à l'autre extrémité avec la sortie 9 du fluide caloporteur. La même structure peut être formée de plusieurs tubes Il montés en parallèle, enroulés ensemble sous forme de spirales à la fois descendante et remontante, pour former ainsi deux épaisseurs de tubes selon la hauteur de la structure 10. Le circuit fermé 5 de circulation du fluide intermédiaire, peut être constitué à la fois par des tubes rigides et souples, isolés thermi- quement ou non. Le fluide caloporteur choisi est un mélange d'eau et d'éthanol, ne présentant aucun inconvénient en cas de fuite accidentelle dans la charge de vin 2 présente dans la cuve 3. La quantité totale de fluide caloporteur est d'environ 10 à 15 litres, selon les modèles. La sortie 9 du support 7 est reliée à l'entrée 6a de l'échangeur 6, tandis que la sortie 6b de ce dernier est relié à l'entrée 8 du même support, par l'inter- médiaire d'une pompe 14 de circulation, et d'un ballon 15 de stockage intermédiaire. Ce ballon peut comporter une résistance de chauffage 16, dans le cas o l'on souhaite assurer également un chauffage du vin 2 stocké dans la cuve 3, par le même dispositif d'échange thermique 1. L'échangeur de chaleur 6 est du type échangeur à plaques. Le circuit fermé 5 communique également avec un vase d'expension (50) fermé, à structure souple et élastique, permettant d'absorber les dilations du fluide caloporteur. Grâce à ce vase, le circuit caloporteur ne se trouve jamais sous forte pression. Le groupe ou source frigorifique 4 a une structure traditionnel- le, et comporte: - un compresseur 17 - un échangeur 18 de condensation, refroidi à l'air par des ventilateurs 19 - un échangeur 20 liquide-vapeur, permettant de sous-refroidir le liquide condensé avant sa détente - un détendeur 21 du liquide condensé, lequel est ensuite vaporisé dans l'échangeur 6 par échange avec le liquide caloporteur du circuit; le liquide vaporisé est ensuite aspiré dans le compresseur 17, après son passage dans l'échangeur 20 - un circuit de by-pass 22, permettant d'introduire directe- ment une certaine quantité du gaz comprimé à l'entrée de l'échangeur 6; ce circuit 22 comporte un détendeur 23, et un régulateur 24, permet- tant d'adapter la capacité frigorifique aux besoins en froid dans le disposi- tif d'échange thermique I. En pratique, un équipement de refroidissement ou échange thermique selon l'ivention est composé d'une partie mobile 26, sur roulet- tes, incorporant le groupe frigorifique 4, l'échangeur thermique 6, la pompe de circulation 14 et le ballon 15, et d'une autre partie portable, constituée par le dispositif I d'échange thermique, comme le montre la figure 2. Les éléments compris dans la partie mobile 26 ont été représentés à la figure I par un rectangle en traits discontinus. La partie portable 1 et la partie mobile 26 sont reliées entre elles par deux tuyaux souples 25 de liaison, isolés thermiquement, reliant respectivement l'entrée 8 du dispositif 1 avec la sortie 6b de l'échangeur 6, et la sortie 9 du même dispositif I avec l'entrée 6b de l'échangeur 6. La partie mobile 26 compor- te un support 27 pour le dispositif d'échange thermique 1. Un équipement selon l'invention peut être mis en oeuvre par l'utilisateur de la manière suivante. Une fois le dispositif 1 introduit par l'ouverture 3a de la cuve 3, et le serpentin 11 à spires non jointives immergé dans le liquide ou vin 2, le moyen 12 d'agitation est mis en rotation. La pompe de circula- tion 14 du fluide caloporteur est mise en route après démarrage du groupe frigorifique 4. Le manchon souple constitué par le serpentin 11 permet, d'une part de balayer le fond de la cuve 2, dans tous ses recoins, grâce au courant de liquide puisé par le moyen d'agitation 12 au centre de la structure cylindrique 10, et refoulé vers le fond de la cuve 3, et d'autre part de donner à l'ensemble du dispositif I un mouvement aléatoire permet- tant de brasser l'ensemble du liquide 2. En faisant varier la vitesse de l'agitateur 12, on peut proportionner ou distinguer les phénomènes de balayage et d'agitation globale du liquide. On obtient ainsi une descente rapide en température du vin 2, sans formation de glace, ce qui permet de travailler avec des fluides caloporteurs à très basse température, par exemple de l'ordre de - 20 C. La nature plastique du conduit Il permet également d'éviter tout accrochage des cristaux de glace pouvant être présents dans le liquide. Le niveau de température du fluide caloporteur circulant dans le circuit fermé 5, peut être contrôlé en régulant la puissance frigori- fique du groupe 4. Cette régulation peut être obtenue de différentes manières connues en soi, par exemple par contrôle du débit circulant dans la boucle 22 de by-pass, ou par freinage de l'aspiration du compresseur 17, ou encore par variation de la puissance de ce dernier. Le paramètre de contrôle retenu peut être la température de surface de la structure cylindrique 10 d'échange thermique ou encore la température à la sortie 6b de l'échangeur 6. Par ailleurs, toutes ces températures peuvent être programmées en fonction du cycle de fonction- nement retenu. Une fois la température de refroidissement final atteinte, le moyen d'agitation 12 peut être arrêté. A partir de ce moment, le groupe frigorifique 4 permet de maintenir dans la cuve 2, par le dispositif d'échan- ge thermique 1, la température optimale de précipitation du tartre, par exemple au voisinage de - 6 C pour un vin de 13 , la température du fluide caloporteur intermédiaire étant alors de - 10 C. Pendant cette phase, la vitesse de circulation du fluide caloporteur peut être régulée par un thermostat prenant la température du vin 2. Le dispositif d'échange thermique I peut être équipé d'un organe de sécurité interdisant la marche du moyen d'agitation 12, lorsque le dispositif 1 est en dehors de tout liquide. Le dispositif d'échange thermique I selon l'invention peut être utilisé dans les systèmes de cuves à plafond mobile, permettant de traiter des quantités variables de vin à l'abri de l'air. Ceci est rendu possible en adaptant la hauteur du serpentin 10, au moment de l'utilisation du dispositif I selon l'invention. A titre de variante, dans une configuration fixe, l'échangeur 6 peut être installé à côté de la cuve, les tuyauteries du groupe frigorifique 4 alimentant l'échangeur 6. De ce fait, le volume du fluide caloporteur circulant dans la boucle intermédiaire 5 peut être réduit. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'échange thermique avec agitation, avec un bain liquide contenu dans un récipient, caractérisé en ce qu'il comprend: - un support 7 adapté pour être disposé dans une ouverture supérieure 30 du récipient 3, et comportant une entrée 8 et une sortie 9 pour un fluide d'échange thermique - une structure cylindrique 10 souple d'échange thermique, montée sur le support, et s'étendant en hauteur à partir de ce dernier, la paroi 10a de cette structure permettant le passage du liquide 2, et comportant au moins un conduit Il de circulation du fluide d'échange thermique, selon la hauteur de la structure, de l'entrée à la sortie du support - un moyen 12 d'agitation, suspendu à la partie basse de la structure cylindrique, assurant une circulation du liquide entre l'intérieur et l'extérieur de ladite structure cylindrique. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure 10 cylindrique d'échange thermique comprend au moins un tube continu 14 conformé en serpentin de la partie haute à la partie basse de ladite structure, et constitué par un matériau semi-rigide, ce tube communiquant à un extrémité avec l'entrée 8 et à l'autre extrémité avec la sortie 9 du fluide d'échange thermique. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support 9 consiste en une plaque pouvant être posée sur la bordure 3a de l'ouverture supérieure du récipient 2. 4) Equipement d'échange thermique, comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit 5 fermé de circulation d'un fluide intermédiai- re caloporteur, bouclé sur le dispositif d'échange thermique, et un échangeur 6 de chaleur, distinct et extérieur au dispositif d'échange thermique, assu- rant un transfert de chaleur entre le fluide caloporteur et une source thermique externe 4. ) Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit fermé comporte deux tuyaux 25 souples de liaison, isolés thermiquement, reliant respectivement l'entrée 8 du dispositif d'échange thermique avec la sortie 6b de l'échangeur, et la sortie 9 du même disposi- tif avec l'entrée 6a de l'échangeur. 6) Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide interédiaire caloporteur comprend de l'éthanol. 7) Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source thermique 4 externe est un groupe frigorifique, l'échangeur de chaleur 6 assurant un transfert de froid du fluide frigorigène du groupe au fluide caloporteur. 8) Equipement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est composé d'une partie mobile 26 incorporant le groupe frigorifique 4 et l'échangeur de chaleur 6, et d'une autre partie portable constituée par le dispositif d'échange thermique I. 9) Equipement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie mobile 26 comporte un support pour le dispositif d'échange thermique.