Brevet FR2704708A1 — publié le 19941104

La présente invention est relative aux dispositifs pour le chauffage de liquides ioniques en écoulement. Plus particulièrement, l'invention concerne des dispositifs de chauffage du type comportant une enceinte de chauffage à travers laquelle le liquide s'écoule, cette enceinte présentant un divergent d'entrée et un convergent de sortie, ainsi que deux électrodes disposées de part et d'autre d'une zone d'écoulement du liquide symétriquement par rapport à un axe de l'enceinte, ces électrodes soumettant le liquide qui traverse cette zone à un champ électrique alternatif qui réalise un chauffage ohmique dudit liquide, par conduction électrique directe, appelé "chauffage ohmique". Plusieurs dispositifs de chauffage de ce type peuvent être couplés pour permettre une alimentation triphasée. Un dispositif de chauffage de ce type a déjà été décrit dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2.657.629, dans une application au rechauffage en continu de solutions aqueuses utilisées dans les installations de fabrication de pâtes à papier, telles que les solutions de liqueurs noires. Le chauffage " ohmique" présente de nombreux avantages par rapport aux techniques classiques de chauffage de liquides, telles que les techniques à échangeurs tubulaires ou à plaques ou les techniques à injection de vapeur ou à surface raclée. Les techniques de chauffage par échange thermique à partir d'une surface chaude ne permettent pas d'obtenir une distribution de température uniforme dans le liquide. I1 arrive que les liquides soient surchauffés localement et se dégradent. Les techniques d'injection de vapeur s'accompagnent quant à ell-es inévitablement d'un ajout d'eau. Dans la plupart des cas, cet ajout d'eau doit être éliminé à la fin du traitement, ce qui entraîne une dépense énergétique supplémentaire. Le chauffage ohmique permet un chauffage rapide et uniforme de liquides contenant des ions libres qui les rendent conducteurs de l'électricité. Les différentes espèces ioniques contenues dans le liquide, se mettent en mouvement sous l'action du champ électrique alternatif. Leur déplacement s'accompagne d'un dégagement de chaleur par effet Joule au sein même du liquide. En outre, le chauffage ohmique présente une grande flexibilité et des rendements énergétiques élevés. On a constaté cependant que, pour certains produits (lait, émulsions de latex), les extrémités des électrodes étaient le siège d'une corrosion locale, ainsi que de dépôts pouvant entraîner le colmatage de l'appareil. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage ohmique permettant de pallier ces inconvénients. A cet effet, le dispositif de chauffage selon l'invention est du type précité et est caractérisé en ce que plusieurs barrettes en matériau diélectrique sont interposées entre au moins deux des extrémités actives (parties sous tension) en regard des électrodes, ces barrettes étant réparties de façon à couper les lignes de champ électrique entre ces extrémités actives et à réaliser une grille de répartition qui accélère l'écoulement du liquide au voisinage des portions des électrodes, qui se trouvent à proximité du convergent de sortie ou du divergent d'entrée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier de l'invention. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe axiale de l'extrémité d'entrée d'un dispositif de chauffage conforme à un mode de réalisation particulier de l'invention la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 la figure 3 est une représentation schématique illustrant, pour le dispositif représenté sur les figures 1 et 2, la disposition des barrettes en matériau diélectrique par rapport aux parois de l'enceinte de chauffage, ainsi que par rapport aux électrodes. Le dispositif de chauffage ohmique représenté sur les figures I et 2 comprend principalement une enceinte de chauffage 1 définit par les parois d'un conduit tubulaire parallélépipédique s'étendant selon un axe A qui constitue un axe de symétrie pour ce conduit. Le liquide circule dans cette enceinte de chauffage 1 selon la direction illustrée par la flèche F. Deux électrodes 2 s'étendent en regard l'une de l'autre parallèlement à l'axe A, le long de deux parois 3 et 4 parallèles de cette enceinte 1. Ces électrodes 2 sont en matériau compatible avec les produits à traiter (par exemple en inox). Les parois 3 et 4, ainsi que les parois 5 et 6 des deux autres côtés longitudinaux de l'enceinte de chauffage 1 sont en matériau diélectrique. Ces quatre parois sont quatre pièces distinctes. Les parois 5 et 6 forment entretoises entre les parois 3 et 4. Les électrodes 2 sont reçues dans des évidements 3a et 4a parallélépipédiques plats que présentent les parois 3 et 4. Ces évidements sont de dimensions complémentaires des dimensions des électrodes 2. Ces électrodes 2 sont maintenues contre les fonds des évidements 3a et 4a, d'une part, par les côtés latéraux des parois 5 et 6 et, d'autre part, par des parois 7 et 8 qui sont plaquées sur ces électrodes 2 vers leurs extrémités. Ces parois 7 et 8 épousent les parois 3 et 4 en leurs parties qui sont au-delà des électrodes 2. Elles sont constituées d'une pièce avec un divergent d'entrée 9 tronconique. La petite base de ce divergent est circulaire et sa grande base a une section. Au-delà de sa petite base, le divergent 9 est prolongé par une tubulure d'entrée cylindrique, référencée par 10 sur la figure 1, par laquelle le dispositif de chauffage est raccordé au circuit dans lequel circule le liquide. Les parois 7 et 8 et le divergent d'entrée 9 sont en matériau diélectrique. Les parties de ces électrodes 2 dont les faces dirigées vers l'axe A ne sont pas recouvertes par les parois 7 et 8, sont les parties actives de ces électrodes 2. Cinq barrettes 11 en matériau diélectrique sont interposées entre les extrémités actives 12 de ces électrodes 2, qui sont à proximité du divergent d'entrée 9. Ces barrettes 11 sont des barrettes isolantes plates. Elles sont parallèles aux parois 3 et 4 et sont réparties symétriquement par rapport à l'axe A. Elles s'étendent dans leur largeur de la paroi 5 à la paroi 6 et sont maintenues par rapport à ces parois par leurs côtés longitudinaux. Ces côtés longitudinaux des barrettes 11 portent à cet effet des nervures 13 qui sont reçues dans des rainures correspondantes ménagées sur les parois 5 et 6. Les parois 3 à 6 de l'enceinte de chauffage 1 sont maintenues assemblées par des entretoises métalliques 14 et 15 formant brides reliées entre elles par des vis et des boulons référencés par 16 dans leur ensemble. Ces brides 14 et 15 sont en outre montées sur une armature extérieure (non représentée) qui maintient l'enceinte 1 selon l'orientation voulue par rapport au sol et par exemple qui maintient l'enceinte 1 de façon que l'axe A soit orientable (généralement vertical). Les parois 3 et 4 sont également traversées par des plots 17 qui assurent avec des moyens 18 disposés à l'extérieur des parois 3 et 4, le raccordement électrique des électrodes 2. Les plots 17 et les moyens 18 sont protégés par un capotage extérieur 19. Les barrettes isolantes 11 sont disposées par rapport aux extrémités actives 12 des électrodes entre lesquelles elles sont interposées, de façon, d'une part, à couper en majeure partie les lignes de champ électrique qui s'étendent d'une de ces extrémités à l'autre, et, d'autre part, à réaliser une grille de répartition qui, au voisinage du divergent d'entrée accélère le liquide. On va maintenant décrire en référence à la figure 3 une répartition optimale des barrettes 11 diélectriques par rapport aux parois 3 et 4 et aux extrémités actives 12 des électrodes 2. Sur cette figure, seule la partie active des électrodes 2 a été représentée. L'une de ces barrettes 11 est avantageusement placée de façon que son plan médian soit sur l'axe de symétrie A de l'enceinte de chauffage 1. Cette barrette centrale a été référencée par îîa sur la figure 3. Les barrettes immédiatement voisines ont été référencées par llb. Les barrettes comprises entre les barrettes lîb et les électrodes 2 ont été référencées par llc. L'épaisseur e des cinq barrettes 11 est identique. Les barrettes 11 sont avantageusement disposées les unes par rapport aux autres de façon que la distance D1 entre les faces en regard de la barrette îîa centrale et des barrettes llb immédiatement voisines soit supérieure à 1,25 fois l'épaisseur e. Les espacements suivants, c'està-dire les espacements D2 entre les faces en regard des barrettes llb et des barrettes llc immédiatement voisines, ainsi que les espacements D3 entre les faces en regard des barrettes llc et des électrodes 2, augmentent selon une progression géométrique, par exemple de raison 2 D3 = 2 x D2 = 4 x D1 . La hauteur H des barrettes est décroissante de la barrette ila à la barrette llc. Cette hauteur est comprise entre 5 et 10 % de la hauteur active des électrodes 2. Les extrémités longitudinales des barrettes 11 les plus éloignées du divergent d'entrée 9 (respectivement convergent de sortie) sont disposées dans un même plan P1 perpendiculaire à l'axe A. Les autres extrémités longitudinales des barrettes 11 (c'est-à-dire celles qui sont directement en regard des faces du divergent 9) sont, de chaque côté de l'axe A, réparties sur sensiblement un plan P2 formant un angle a compris entre 10 et 200 avec un plan perpendiculaire à l'axe A. La hauteur de la portion de ces barrettes 11 qui est en regard des électrodes 2 est donc constante. Etant donné que la hauteur de ces barrettes 11 décroît de l'axe A vers les électrodes 2, le pourcentage pour chaque barrette de sa portion qui est en regard des électrodes 2, par rapport à la surface totale de la barrette, varie également. Ce pourcentage est de 30 % pour l'électrode îîa et de 40 % pour les électrodes llc. La hauteur D4 selon l'axe A, entre la grande base du divergent d'entrée et la zone des parois 3 et 4 que coupe le plan P2, est supérieure à 50 % de la hauteur de la plus petite des barrettes 11 (barrettes llc) A son autre extrémité, l'enceinte de chauffage 1 est terminée par un convergent de sortie qui n'a pas été représenté pour ne pas surcharger les dessins. Entre les extrémités actives des électrodes qui sont à proximité de ce convergent, sont interposées plusieurs barrettes isolantes réparties, par rapport à ces extrémités, sensiblement de la même façon que les barrettes 11 par rapport aux extrémités 12. Ces barrettes coupent les lignes de champ entre ces extrémités actives et accélèrent le liquide au niveau du convergent de sortie. L'angle du convergent ou du divergent est choisi de façon, d'une part, à permettre un bon écoulement du liquide entre l'enceinte de chauffage et les tubulures d'entrée et de sortie et, d'autre part, à limiter les lignes de courant entre les extrémités actives des électrodes. Avec le dispositif de chauffage qui vient d'être décrit, il n'y a plus de zones de surchauffe aux extrémités actives des électrodes, puisque les barrettes isolantes ont pour effet d'éliminer la concentration de densité de courant au niveau de ces extrémités actives et d'accélérer le liquide au voisinage des extrémités de ces électrodes pour homogénéiser le débit sur toute la section de l'enceinte. Ce dispositif peut donc avantageusement être utilisé pour chauffer des liquides difficiles à chauffer, par exemple des produits visqueux, mauvais conducteurs de la chaleur, thermosensibles, ou bien encore contenant des particules solides. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage d'un liquide ionique en écoulement comportant une enceinte de chauffage (1) à travers laquelle le liquide s'écoule, cette enceinte (1) présentant un divergent d'entrée (9) et un convergent de sortie, ainsi que deux électrodes (2) disposées de part et d'autre d'une zone d'écoulement du liquide symétriquement par rapport à un axe (A) de l'enceinte (1), ces électrodes (2) soumettant le liquide qui traverse cette zone à un champ électrique alternatif qui réalise un chauffage ohmique dudit liquide, caractérisé en ce que plusieurs barrettes (11) en matériau diélectrique sont interposées entre au moins deux des extrémités actives (12) en regard des électrodes (2), ces barrettes (11) étant réparties de façon à couper les lignes de champ électrique entre ces extrémités actives (12) et à réaliser une grille de répartition qui accélère l'écoulement du liquide au voisinage des portions des électrodes qui se trouvent à proximité du convergent de sortie ou du divergent d'entrée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est du type parallélépipédique allongé, les électrodes (2) étant des électrodes planes s'étendant sur les faces intérieures de cette enceinte (1), et en ce que les barrettes (11) sont des barrettes planes parallèles aux électrodes (2), ces barrettes (11) s'étendant dans leur largeur de l'une à l'autre des deux faces (5, 6) intérieures de l'enceinte (1) qui ne portent pas d'électrodes (2). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les barrettes (11) sont répartie symétriquement de part et d'autre de l'axe (A) de l'enceinte (1), ces barrettes (11) étant parallèles à cet axe et étant d'une hauteur qui décroît d'une barrette à l'autre de l'axe (A) vers les électrodes (2). 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la hauteur de la portion des barrettes (11) qui est en regard des électrodes est identique d'une barrette à l'autre, et en ce que cette hauteur est, pour une barrette (11), comprise entre 30 et 40 % de la hauteur totale de ladite barrette (11). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les extrémités longitudinales des barrettes (11) sont, de part et d'autre de l'axe (A) de l'enceinte (1), disposées sensiblement sur une enveloppe définie par deux plans (P1, P2) formant ensemble un angle compris entre 10 et 200. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la hauteur entre la grande base du divergent (9) ou convergent et celui des plans qui définit l'enveloppe précitée qui est en regard de cette grande base, est supérieure à 50 % de la hauteur de la plus petite des barrettes (11). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la hauteur d'une barrette (11) est comprise entre 5 et 10 % de la hauteur active d'une électrode (2). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) d'une barrette (11) est comprise entre 2 à 5 mm. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le plan médian de l'une (lia) des barrettes s'étend selon l'axe (A) de l'enceinte, les barrettes (lob) immédiatement voisines étant espacées par rapport à cette barrette d'une distance (D1) supérieure à 1,25 fois l'épaisseur de cette barrette. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (D1, D2, D3) entre deux barrettes (11) voisines ou entre une barrette (llc) directement en regard d'une électrode (2) et cette électrode (2) varie de l'axe (A) de l'enceinte vers les électrodes (2) selon une progression géométrique.