Brevet FR2698559A1 — publié le 19940603

Echanqeur mélangeur à effet de convection chaotique. La présente invention concerne un échangeur mélangeur à effet de convection chaotique pour le mélange et le chauffage de fluides newtoniens ou non newtoniens et s'applique plus particulièrement aux fluides visqueux et fragiles. Un grand nombre d'échangeurs de chaleur ou de mélangeurs sont connus. Dans certains des échangeurs de chaleur, on est amené à chauffer des fluides mauvais conducteurs de la chaleur, très visqueux et au comportement thermorhéologique complexe (fluides non newtoniens notamment) au moyen soit d'échangeurs tubulaires soit d'échangeurs à plaques. Pour traiter de tels fluides, ces techniques ne donnent pas toujours satisfaction et posent souvent des problèmes. Le chauffage homogène des fluides très visqueux pose des difficultés qui sont liées au problème du me lange. Un mélange hétérogène induit des transferts thermiques inégaux suivant les zones pouvant provoquer des zones de surchauffe où le fluide est altéré ou au contraire des zones froides.En conséquence, pour améliorer le processus de chauffage des fluides visqueux, on est amené à brasser le fluide au moyen d'un agent agitateur externe comme les turbulateurs ou les générateurs de turbulence. Cependant, les agitateurs externes exercent souvent des contraintes de cisaillement considérables sur le fluide. Donc, l'échauffement et le mélange de fluides délicats incapables de supporter de fortes contraintes sans subir de dégradations restent un problème notamment dans l'industrie alimentaire, biochimique et pharmaceutique. Le but de la présente invention est donc de proposer un échangeur mélangeur qui résout le problème de l'inhomogénéité de chauffage et de mélange et, donc, améliore la performance de l'échangeur sans augmenter les contraintes mécaniques au sein du fluide et sans avoir recours à la génération de turbulences qui entraînent des pertes d'énergie considérables. Le but de la présente invention est donc de générer un mélange par chaos Lagrangien et d'obtenir un brassage équivalent au brassage obtenu dans un régime turbulent classique mais sans contraintes mécaniques élevées du type de celles que l'on rencontre dans un écoulement autre que laminaire. L'invention concerne à cet effet un échangeur mélangeur à effet de convection chaotique. I1 convient de rappeler ciaprès ce que l'on appelle convection chaotique. Historiquement, la distinction entre écoulement laminaire et turbulent a été basée sur la nature Eulérienne de champs de vitesse. Certains écoulements peuvent être considérés réguliers lorsque des quantités Eulériennes sont mesurées (champs de vitesse pour plusieurs points fixes) alors qu'ils apparaissent stochastiques lorsque l'on enregistre des quantités Lagrangiennes (trajectoires de particules). C'est l'existence de mouvements stochastiques des particules en écoulement laminaire que l'on dénomme phénomène de convection chaotique. En conséquence, pour obtenir ces mouvements stochastiques en écoulement laminaire en vue d'aboutir à un certain degré de mélange en un temps donné, il faut imposer aux particules de fluides de suivre des trajectoires optimales. A travers l'invention, les trajectoires obtenues sont des trajectoires chaotiques des particules de fluide qui sont produites en utilisant des tourbillons inhérents à l'écoulement et qui agissent comme des agitateurs internes. Ce sont ces tourbillons longitudinaux dits "rouleaux de Dean", apparaissant sous l'effet du déséquilibre qui existe entre le gradient de pression transversal et la force centrifuge qui est liée à la courbure des lignes de courant de fluides obtenues dans des canalisations courbes, qui sont utilisées pour obtenir les trajectoires chaotiques des particules. Les éléments générateurs de chaos utilisés dans le cadre de l'invention se caractérisent donc par leur disposition dans l'espace en vue d'obtenir une trajectoire du fluide très particulière. L'échangeur mélangeur à effet de convection chaotique objet de l'invention comporte un conduit formé d'une seule pièce ou réalisé à partir d'une série d'éléments disposés bout à bout, à l'intérieur duquel s'écoule un fluide devant être mélangé et/ou soumis à un flux thermique, caractérisé en ce qu'une portion du conduit est réalisée au moyen d'un élément générateur de chaos comprenant au moins deux portions courbes, qui délimitent deux plans de courbure, définis comme les plans incluant le centre de l'arc de cercle définissant la courbe et la tangente à ladite portion courbe, lesdits plans de courbure étant orthogonaux. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le conduit à l'intérieur duquel s'écoule le fluide est constitué notamment par une combinaison d'un ou plusieurs éléments générateurs de chaos dont les portions courbes sont de rayon et d'angle au centre identiques, le ou lesdits éléments présentant en section transversale une symétrie centrale et un angle au centre compris entre 900 et 2700, de préférence égal à 1200. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, lesquels description et dessins sont donnés surtout à titre d'exemples. Dans ces dessins la figure 1 représente un élément générateur de chaos constitué d'une série de quatre éléments cintrés de section carrée, et la figure 2 représente une vue en perspective d'un échangeur mélangeur constitué d'une série d'éléments générateurs de chaos constitués d'éléments cintrés de section circulaire. Conformément à l'invention, l'échangeur mélangeur à effet de convection chaotique comporte une série d'éléments creux 1, 11, 12, etc. ouverts à chacune de leurs extrémités et disposés bout à bout. Ces éléments peuvent être de deux types, rectilignes ou cintrés, c'est-à-dire courbes. Dans la figure 1, des éléments rectilignes tels que l'élément 14 sont associés aux éléments courbes il, 12, 13. On peut également imaginer qu'un seul et même élément comporte plusieurs portions courbes, cet élément étant dans ce cas formé d'une seule pièce par cintrage. Les éléments générateurs de chaos, objets de l'invention, sont constitués d'au moins deux portions courbes qui délimitent deux plans de courbure orthogonaux entre eux. Il est rappelé conformément à ce qui a été dit ci-dessus que par plan de courbure on entend le plan contenant le centre de courbure et la tangente de la portion en arc de cercle de la partie courbe. Cela signifie, par exemple dans la figure 1 pour simplifier, que l'on assemble l'élément 1 et l'élément 11 dans un même plan puis on fait subir à l'élément 1 1 une rotation de 900. De ce fait, en introduisant une discontinuité géométrique de l'écoulement du fluide par variation dans l'espace des plans de courbure d'un élément courbe à un autre, on modifie les trajectoires au sein de l'écoulement à l'entrée de chaque portion courbe. En fait, on génère un type de trajectoire dans un élément,- on détruit ensuite celle-ci et on régénère un autre type de trajectoire dans l'élément suivant. Ainsi des trajectoires très complexes peuvent être produites par ce moyen et une particule de fluide soumise à un tel système va suivre un mouvement chaotique si la rotation d'un plan de courbure par rapport à un autre est choisie de manière appropriée. La portion courbe de chacun des éléments peut varier d'un élément à un autre. Ainsi, l'angle au centre # de chaque portion courbe peut être compris entre 90 et 2700. Il sera de préférence choisi égal à 1200.A l'inverse, on peut décider, de manière à standardiser la production et la fabrication d'une telle installation, que l'élément générateur de chaos soit réalisé à partir d'une combinaison de portions courbes dont les plans de courbure sont orthogonaux entre eux et dont les rayons, angles au centre, et longueurs droites sont identiques. De ce fait, on peut de manière mathématique définir les coordonnées d'un point Mi disposé sur la fibre centrale à l'angle e1 dans un élément courbe de rang i ou à la longueur Li dans un élément droit de rang i. Par fibre centrale, on entend la ligne représentée en pointillé à la figure 1 qui joint les centres de section successifs d' une portion courbe.Cette définition constitue une aide à la réalisation du conduit en permettant d'une part une optimisation du tracé du conduit, d'autre part une conception et une fabrication automatisées dudit conduit. Les éléments courbes ont un rayon de courbure moyen R et un angle au centre O. # On choisira un repère orthonormé d'origine O1 désigné par (i1, -4 -4 j1, k1) dans lequel on déterminera les coordonnées du point Mi dans l'élément i. Pour ce faire, on utilisera les matrices et les vecteurs définis comme suit 0 - Cose Sine OC ose Sine M900=1 0 0 M900= -10 0 0 Sine CosO 0 -Si ne cosy 0 - 1 0 0 1 0 Cos# 0 Sin# R90 =# 1 0 0# R~90 = # -1 0 0# Hc = # 0 1 0 # 0 0 1 0 0 1 -Sin# 0 Cos# R (1-Cos#i) 0 1 0 0 Ci =# 0 # Di =# 0 # HD =# 0 1 0# R Sin#i Li 0 0 1 Soit un mélangeur échangeur de chaleur à effet de convection chaotique à n éléments. Les coordonnées du point M1 à l'angle 1 si l'élément 1 est courbe ou à la longueur L1 s'il est droit sont données dans le repère (O1, i1, j1, k1), par les coordonnées du vecteur V1 qui est égal à C1 si l'élément est courbe ou D1 s'il est droit. Les coordonnées du point M2 à l'angle 2 si l'élément 2 est courbe ou à la longueur L2 s'il est droit sont données dans le repère (O1, i1, j1, k1), par les coordonnées du vecteur T2 : T2 = (V1)L,O + M2-1V2 avec (V1)L# = V1 avec 1 = # et L1 = L avec V2 qui est égal à C2 Si l'élément 2 est courbe et dans ce cas avec M2-1 qui est égal à - M90 Si l'élément 1 est courbe et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport l'élément L est de +900 - M-90 si l'élément 1 est courbe et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de -90 - R90 Si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de +900 - R-90 Si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de -90 - HD Si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est 00 ou avec V2 qui est égal à D2 Si l'élément 2 est droit et dans ce cas avec M2-1 qui est égal à Hc si l'élément 1 est courbe et à HD Si l'élément 1 est droit. On peut de ce fait exprimer les coordonnées d'un point Mi disposé sur la fibre centrale du ième élément du mélangeur échangeur. Ces coordonnées sont données par celles du vecteur Ti qui est égal à : Ti = (Vi-1)L,# + M2,1 x M3,2x...x Mi i-1 Vi On peut donc exprimer les coordonnées du point Mn au moyen d'une série d'équations matricielles T1 = V1 T2 = (V1)L, + M2,1 V2 Ti = (Vi-1)L, + M2,1 x M3,2 x...x Mi,i1 Vi Tn = (Vn-1)L,O + M2,1 x M3,2 x...x Mn,n-1 Vn où les vecteurs V1, Vi, Vn dépendent de la forme de l'élément et les matrices M2,1, Mi,i-1, Mn,n-1 de la forme des deux éléments mis en indice et de leur rotation l'un par rapport à 1' autre. Cette solution mathématique qui permettra de calculer de manière rapide et fiable l'équation de la fibre centrale ne pourra être appliquée que si le conduit est une combinaison de portions courbes de rayon, angle au centre et longueurs droites identiques pour une installation donnée. Ce cas ne constitue qu'un exemple particulier de l'invention. Pour optimiser l'effet de mélange, il convient d'optimiser le chaos spatial généré dans cette géométrie. On constate pour ce faire qu'une des solutions préférentielles de l'invention consiste à disposer en série au moins quatre portions courbes comme le montre la figure 1. Bien évidemment, ces portions courbes mises en série peuvent être obtenues à partir d'un seul et même élément formé d'une seule pièce ou à partir de quatre éléments assemblés par des moyens de liaison appropriés. En outre, toujours pour des raisons d'efficacité et de facilité de mise en oeuvre, les éléments constitutifs 1, 11, 12,..., 1n de l'élément chaotique présentent de manière obligatoire en section transversale une symétrie centrale. On peut ainsi utiliser des éléments de section circulaire, carrée, hexagonale, etc.Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 1, l'élément chaotique est constitué par une série de quatre éléments courbes d'angle e 900, de rayon interne 200 mm, de rayon externe 240 mm, de section carrée 40 x 40 mm2, de rapport de courbure 5,5. Les éléments rectilignes associés à ces éléments courbes ont une longueur de 276 mm et bien sûr des sections identiques aux éléments courbes. Afin de permettre un montage et un démontage aisés des éléments constitutifs de l'échangeur mélangeur sans augmenter les pertes de charges, on préfèrera utiliser des moyens de liaison des éléments disposés sur au moins l'une des faces externes d'un des éléments au voisinage du plan de joint entre deux éléments adjacents. Ces moyens de liaison peuvent par exemple être des brides. On peut également imaginer un procédé de liaison par vissage, lesdits éléments étant assemblés par vissage au moyen d'un filetage réalisé sur une demi-hauteur de manière à ne pas modifier la section interne desdits éléments. On peut encore utiliser comme moyen de liaison des raccords dits raccords à DUDGEONNER, etc. Bien évidemment, tout autre moyen de liaison approprié peut être utilisé. De même, lorsque l'on veut utiliser cet échangeur mélangeur comme échangeur thermique en vue de chauffer ou de refroidir le fluide s'écoulant à l'intérieur de cet échangeur mélangeur, il convient de chauffer ou de refroidir les parois des éléments constitutifs de l'échangeur mélangeur soit en régime de température imposé ou de flux imposé, soit en régime mixte, par des moyens classiques. On pourra, dans la méthode dite de chauffage par passage direct de courant, faire en sorte que les parois des éléments constitutifs de l'échangeur soient mises sous tension. Un autre procédé de chauffage peut être utilisé. Il s'agit du procédé de chauffage volumique d'un liquide par conduction électrique directe.On peut faire en sorte que les parois des éléments constituent des électrodes entre lesquelles on applique une différence de potentiel en reliant celles-ci à une source d'énergie électrique alternative de manière à créer un champ électrique qui établit un courant de conduction électrique et provoque l'apparition de sources volumiques de chaleur. L'intérêt d'une combinaison d'un tel procédé de chauffage avec le procédé de mélange par convection chaotique permet de pallier les inconvénients des vitesses différentes des particules dans une conduite, ce qui permet d'obtenir un chauffage parfaitement homogène des particules et d'éviter les problèmes d'encrassage résultant du compactage des éléments le long des parois internes des éléments creux constitutifs de l'échangeur mélangeur.Dans ce cas, pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage, si la section des éléments est carrée, les faces des éléments constitutifs des électrodes seront les faces parallèles repérées 3a et 3b dans la figure 1. Par contre, dans le cas d'un conduit à section circulaire, on utilisera une électrode externe constituée par la paroi externe du conduit et une électrode interne distincte disposée centralement à l'intérieur du conduit. On peut bien évidemment, dans un autre mode de réalisation, utiliser des moyens de chauffage dits indirects classiques tels que des résistances électriques. Quant à l'écoulement du fluide, il peut être libre ou contrôlé. Dans le premier cas il sera réalisé par gravité, dans le second cas, on utilisera des moyens de contrôle du flux tels que des pompes La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un échangeur mélangeur à effet de convection chaotique. Cet échangeur mélangeur est constitué d'une série d'éléments coudés à section circulaire présentant un diamètre intérieur de 23 mm, un diamètre extérieur de 25 mm, un rayon de courbure de 126,5 mm, et un angle de 900 entre deux plans de coude adjacents. Dans ce mélangeur particulier, on observe d'une part une efficacité élevée du mélange, d'autre part un régime d'écoulement laminaire, donc une faible dissipation d'énergie, et enfin une réduction des pertes de charge et un minimum de contraintes mécaniques dues à une laminarité de l'écoulement. L'ensemble de ces propriétés rendent ce procédé de mélange et d'échange thermique efficace avec une faible dissipation d'énergie. De ce fait, cet échangeur mélangeur est approprie à la fois pour les fluides délicats et les fluides complexes à longues chaînes moléculaires. En outre, on constate, en comparant l'efficacité d'un échangeur chaotique par rapport à un échangeur à spirales de même longueur et de même diamètre interne et externe, le fluide utilisé étant de l'eau - une augmentation d'efficacité d'échange de chaleur de 15 à 18 % - une augmentation des pertes de charges nulle ou négligeable. Par analogie, on peut estimer avec un risque d'erreur quasiment nul qu'on observerait une augmentation des performances de mélange et de chauffage encore plus significative si les fluides étaient plus visqueux. En conséquence, l'augmentation des pertes de charges est négligeable par rapport à l'augmentation du coefficient d'échange. Ce résultat va à l'encontre de toutes les idées reçues. En effet, on avait jusqu'à ce jour abandonné des constructions géométriques complexes en raison de l'augmentation importante engendrée au niveau des pertes de charges. On constate ici dans ce dispositif de manière surprenante que l'augmentation des pertes de charges est négligeable. Les applications d'un tel échangeur mélangeur sont nombreuses. La performance du mélange peut être utilisée dans des mélangeurs classiques en ligne, dans des réacteurs chimiques ou pour des dispositifs plus complexes tels que ceux permettant l'oxygénation du sang, etc. Cet échangeur mélangeur présente en outre l'avantage de pouvoir fonctionner en circuit ouvert ou fermé. Dans le cas d'un circuit ouvert, le fluide s'écoule d'un point A d'entrée dans les éléments creux jusqu'à un point B de sortie des éléments creux. Le passage du fluide à l'intérieur de ces éléments est dans ce cas unique. A l'inverse, lorsque le circuit est fermé, le fluide réalise au cours de son écoulement une boucle et repasse plusieurs fois dans les mêmes éléments. Ceci permet de limiter l'encombrement d'une telle installation. Dans ce cas, bien évidemment, à un instant donné, on rompt la boucle pour permettre l'évacuation du fluide. REVENDICATIONS 1. Echangeur mélangeur à effet de convection chaotique du type comportant un conduit formé d'une seule pièce ou réalisé à partir d'une série d'éléments (1, 11, 12,..., 1n) disposés bout à bout, à l'intérieur duquel s'écoule un fluide devant être mélangé et/ou soumis à un flux thermique, caractérisé en ce qu'une portion du conduit est réalisée au moyen d'un élément générateur de chaos comprenant au moins deux portions courbes, qui délimitent deux plans de courbure définis comme les plans incluant le centre de l'arc de cercle définissant la courbe et la tangente à ladite portion courbe, lesdits plans de courbure étant orthogonaux. 2. Echangeur mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion courbe de l'élément générateur de chaos présente un angle au centre 8 compris entre 90 et 2700, de préférence égal à 1200. 3. Echangeur mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions courbes de l'élément générateur de chaos sont de rayon, d'angle au centre et de longueur identiques de telle sorte que le tracé et la réalisation du conduit sont entièrement automatisables. 4. Echangeur mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément générateur de chaos présente en section transversale une symétrie centrale. 5. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un élément générateur de chaos comporte une série d'au moins quatre portions courbes dont les plans de courbure adjacents sont orthogonaux deux à deux. 6. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur de chaos est réalisé par assemblage d'éléments, les moyens de liaison de deux éléments adjacents étant disposés solidaires d'au moins une des faces externes d'au moins un des éléments au voisinage du plan de joint entre lesdits éléments adjacents. 7. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs générateurs de chaos éventuellement combinés à un ou plusieurs éléments rectilignes creux, de manière à définir un circuit ouvert permettant un écoulement libre du fluide d'un point A d'entrée à l'intérieur de la série d'éléments creux jusqu'à un point B de sortie de la série d'éléments creux. 8. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments générateurs de chaos combinés ou non à des éléments creux rectilignes définissent un circuit fermé, l'écoulement du fluide formant, au cours de son passage à l'intérieur de la série d'éléments creux, une boucle. 9. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les parois des éléments constitutifs de l'échangeur mélangeur combinées ou non à une électrode centrale constituent des électrodes entre lesquelles on applique une différence de potentiel au moyen d'une source d'énergie électrique alternative pour créer un champ électrique qui établit un courant de conduction électrique et provoque l'apparition de sources volumiques de chaleur par effet joule. 10. Echangeur mélangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les parois des éléments constitutifs de l'échangeur sont susceptibles d'être chauffées soit par des moyens de chauffage indirects en soi connus, soit par des moyens de chauffage directs constitués notamment par la mise sous tension des parois de manière à générer un chauffage des parois par passage direct de courant.