Brevet FR2741228A1 — publié le 19970516

La présente invention concerne un appareil de chauffage ohmique d'un liquide. Son domaine d'application est le chauffage de produits liquides. Par exemple, il peut être utilisé dans le traitement thermique de produits agro-alimentaire en écoulement continu tel que la stérilisation ou la pasteurisation. Le chauffage de tels produits est délicat car toute la masse de produit doit être chauffée à une température critique pendant un temps déterminé. Les techniques classiques de chauffage par échange thermique à partir d'une surface chaude ne permettent pas d'obtenir une distribution de température uniforme dans un volume de liquide. Cependant, on connaît des procédés de chauffage électrique de liquides par conduction directe d'un courant électrique dans un volume de liquide, parfois appelé "chauffage ohmique". L'énergie électrique se transforme en énergie calorique, par effet Joule, en traversant directement le volume de liquide. Un dispositif de chauffage d'un liquide utilisant ce procédé a été décrit dans le brevet FR-B-2 704 708 au nom du Demandeur. Ce dispositif comporte un tube isolant et des électrodes fixées à l'intérieur du tube, le liquide s'écoulant dans la direction longitudinale du tube, et le chauffage étant effectué par conduction de courant électrique entre les électrodes, à travers le liquide. Deux électrodes s'étendent le long des parois internes du tube, de part et d'autre de son axe, de telle sorte que le champ électrique s'établisse transversalement au tube, perpendiculairement à l'écoulement du liquide. Ce dispositif est destiné au chauffage de liquides ioniques, le mouvement des ions vers les électrodes permettant de créer une turbulence qui rend la température plus uniforme. Ce dispositif a l'inconvénient de ne pas permettre de chauffer uniformément un liquide. Ce dispositif a l'inconvénient de ne pas permettre de chauffer uniformément un liquide. Un but de la présente invention est d'améliorer le chauffage et le mélange dans un appareil de chauffage électrique de liquides. Un autre but de l'invention est d'améliorer la répartition des lignes de courant dans un appareil de chauffage de liquides. Ces buts sont atteints, selon l'invention, avec un appareil de chauffage électrique d'un liquide, comprenant au moins un tube isolant et des électrodes fixées à l'intérieur du tube, le liquide s'écoulant dans la direction longitudinale du tube, le chauffage étant effectué par conduction de courant électrique entre les électrodes, à travers le liquide, caractérisé par des électrodes transversales en forme d'étoile, les électrodes étant séparées l'une par rapport à l'autre dans la direction longitudinale du tube par un volume de liquide, le liquide se mélangeant lors de son écoulement en traversant chaque électrode en forme d'étoile et le courant circulant, à travers chaque volume de liquide, sensiblement dans la direction longitudinale du tube. La description qui va suivre et les dessins annexés, donnés surtout à titre d'exemple non limitatif, feront mieux comprendre comment l'invention est réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 représente une coupe transversale partielle d'un appareil selon l'invention - la figure 2 représente l'électrode en forme d'étoile selon l'invention, en vue plane - la figure 3 représente l'électrode en forme d'étoile, vue en coupe selon le plan III-III de la figure 2 - la figure 4 représente l'appareil selon l'invention, vu en coupe longitudinale - la figure 5 représente l'appareil selon l'invention, en vue externe latérale ; et - les figures 6a à 6e représentent des dispositions d'électrodes selon l'invention. La figure 1 montre une électrode 10 montée transversalement dans un tube 2 d'appareil de chauffage électrique 1 selon l'invention. Le tube 2 est de forme cylindrique, de préférence de révolution autour d'un axe O. Il est constitué d'un matériau diélectrique pour pouvoir isoler les électrodes transversales 10, 20, qui seront disposées de place en place le long du tube 2. L'électrode a de préférence une forme d'étoile composée de plusieurs branches. L'électrode 10 de la figure 1 comporte, par exemple, quatre branches, dont les extrémités sont fixées dans la paroi du tube 2. Elle forme ainsi un croisillon en travers de l'ouverture du tube. L'électrode est disposée transversalement au tube 2 de sorte qu'elle forme un obstacle au liquide qui s'écoule suivant l'axe O du tube 2. La figure 2 représente, en détail, l'électrode en forme d'étoile de la figure 1. On voit que l'électrode à quatre branches 11, 11', 11", il''', de la figure 1 est montée au milieu d'un anneau cylindrique 13 auquel elle est fixée par les extrémités 12, 12', 12", 12''' respectives de chaque branche. Lorsque le liquide traverse la lumière de l'anneau, des turbulences se forment donc autour de chaque branche 11, lui', ... de l'étoile, permettant ainsi de mélanger le liquide et d'homogéniser la température. L'anneau 13 de chaque électrode en forme d'étoile est destiné à être noyé dans la paroi du tube lors de son moulage. Ainsi, l'électrode 10 est fixée plus solidement au tube 2. De plus l'anneau permet de courtcircuiter l'extrémité 12, 12', ... des branches 11, 11', ... de l'électrode 10. A la figure 1, on voit que les électrodes transversales en forme d'étoile 10, 20 sont disposées le long de l'axe longitudinal du tube, de place en place. Selon une autre caractéristique, en effet, les électrodes sont séparées l'une par rapport à l'autre dans la direction longitudinale du tube par un volume de liquide, le courant circulant à travers le volume de liquide, sensiblement dans la direction longitudinale du tube. En fonctionnement, les électrodes transversales 10, 20 sont portées à un potentiel différent. Comme le tube est isolant, le courant circulera uniquement à travers le volume de liquide défini par les sections transversales occupées par les électrodes. Selon une autre caractéristique, les électrodes en forme d'étoile sont décalées angulairement le long du tube. Comme représenté à la figure 1, les branches de l'électrode transversale 20 sont ainsi décalées d'un angle transversal a avec les branches respectives de l'électrode transversale 10. Ce décalage a deux fonctions essentielles. En premier lieu, le courant traversant le volume de liquide est réparti dans tout le volume à cause de ce décalage. En effet, si les électrodes 10, 20 étaient alignées le long du tube, une lumière apparaîtrait longitudinalement, par exemple entre les deux branches 11, 11' de l'électrode 10 et les deux branches 21, 21' respectives de l'électrode 20. Aucun courant ne circulerait donc dans le volume de liquide défini par cette lumière. Le courant traverserait le liquide uniquement dans un volume "d'ombre" formé par l'alignement des étoiles. En décalant les étoiles 10, 20, par exemple de 45 , les lignes de courant provenant de la branche 11 de l'électrode 10 se répartissent en partie vers la branche 21 de l'électrode 20 et en partie vers la branche 21' de l'électrode 20. Avec le décalage des étoiles, les lignes de courant se répartissent ainsi dans tout le volume de liquide, comme si toute la surface de chaque section occupée par une électrode formait une surface équipotentielle. En second lieu, ce décalage angulaire cx des électrodes 10, 20 permet de communiquer un mouvement tourbillonnaire au liquide en écoulement dans le tube. Le flux du liquide est, en effet, dévié par les branches 11, 11', ... de l'étoile de l'électrode 10, puis par les branches 21, 21', ... de l'étoile de l'électrode 20. Avec un angle de décalage a assez faible entre les branches respectives (11, 21), (11', 21'), (...) des étoiles successives, le liquide acquiert un mouvement de rotation lors de son écoulement longitudinal. Ce mouvement hélicoïdal augmente encore le mélange du liquide, en particulier aux abords des parois du tube. la figure 3 montre l'électrode en forme d'étoile de la figure 2, prise en coupe radiale suivant les branches verticales 11 et 11". A la figure 3, on voit que selon une autre caractéristique de l'invention, les branches 11 d'une électrode en forme d'étoile ont une section elliptique. On voit, par exemple, aux figures 2 et 3 que les branches 11, 11', 11", 11''' de l'étoile sont formées de tubes métalliques à section elliptique, soudés près du centre O de l'étoile. Curieusement, l'étoile paraît aplatie en épaisseur, c'est-à-dire que le grand axe de ses branches 11, 11', ... à section elliptique est transversal au tube 2. L'électrode oppose donc une grande résistance à l'écoulement longitudinal du liquide. Cette configuration permet, d'une part, de mieux répartir le courant à la surface de l'électrode, chaque électrode ayant une surface de contact élevée avec le liquide. D'autre part, on s'est aperçu que, de façon non évidente, il fallait réduire l'épaisseur de l'électrode dans le sens longitudinal du tube. Si l'épaisseur de l'électrode était élevée, un effet de pointe apparaîtrait.En effet, les lignes de courant entre deux électrodes se développeraient uniquement à partir de certains points de l'électrode, ces points étant les plus proches de l'autre électrode. La configuration elliptique des branches de l'électrode apporte ainsi une solution non évidente au problème de la répartition des lignes de courant. La figure 4 représente un tube à trois électrodes 10, 20, 30 pris en coupe longitudinale. La section transversale de ce tube est représentée à la figure 1. Sur la figure 4, on voit que l'électrode en forme d'étoile à quatre branches 10 est vue en coupe selon les branches 11 et 11" qui correspondent aux branches verticales 11, 11" de la figure 1. Les branches de la deuxième électrode 20 forment un angle de 45" avec les branches de la première électrode 10, si bien qu'elles apparaissent en coupe oblique. La troisième électrode 30 forme aussi un angle de 45 avec la deuxième électrode 20, soit un décalage de 90 avec la première étoile. En fonctionnement, le liquide entre dans le tube par l'ouverture 6. Une plateforme 8 du tube 2 permet la fixation jointive sur un tube d'arrivée (non représenté). L'ouverture 6 a, de préférence, une section inférieure à la section du corps du tube. Un tel élargissement permet de ralentir le liquide dans le tube 2 où s'effectue le "chauffage ohmique". De plus, la surface de l'ouverture 6 peut correspondre à la surface totale des lumières de chaque électrode 10. Les électrodes 10, 20, 30 sont alimentées électriquement par les traversées métalliques respectives 16, 26, 36. La traversée 16 est, par exemple, filetée sur l'anneau 13 métallique de l'électrode 10. L'anneau 13 métallique est noyé à son tour dans une portion de tube isolant avec la traversée 16. Ainsi, on peut alimenter les électrodes sans court-circuit et les électrodes sont solidement fixées transversalement au tube 2. Le tube 2 peut être conçu de façon modulaire comme représenté aux figures 4 et 5. Chaque portion 110, 120, 130, ... de tube comporte ainsi une électrode respective 10, 20, 30, ... Les portions de tube 110, 120, 130 sont assemblées ensemble de façon jointive pour former un tube 2 d'appareil de chauffage électrique selon l'invention. La figure 5 montre ainsi des portions de tube comportant des plateformes transversales. Des taraudages 104 sont pratiqués dans ces plateformes pour permettre de fixer hermétiquement les portions de tube (110, 120), (120, 130) par des écrous 105 de façon connue. Avec une telle conception modulaire, on peut avantageusement prévoir des portions de tube 125 (voir figure 4), sans électrode, que l'on peut intercaler entre des portions 120, 130 à électrodes 20, 30 pour régler la distance longitudinale séparant deux électrodes. Enfin, une portion de tube 103 en forme d'entonnoir comporte une ouverture de sortie 106. Elle est raccordable à un tube de départ (non représenté) à l'aide d'une plateforme 108 similaire et symétrique à la portion de tube 3 d'élargissement et à sa plateforme respective 8. Une suite de volumes chauffants peut ainsi être formée en disposant une suite longitudinale au tube d'électrodes transversales selon l'invention. La température du liquide peut ainsi augmenter par palier. Le liquide est, de plus, mélangé entre chaque étape, en traversant l'électrode transversale. Selon une autre caractéristique de l'invention, des distances croissantes séparent les électrodes dans la direction longitudinale du tube. Comme on peut le voir par exemple à la figure 5, la première distance L1 entre la première paire d'électrodes 10, 20 est inférieure à la seconde distance L2 entre la paire d'électrodes 20, 30. Cette disposition avantageuse sera mieux comprise en considérant, pour simplifier, que les différences de potentiel appliquées à chaque paire d'électrodes sont égales. On constate alors que l'élévation de température entre les paires successives d'électrodes est de plus en plus réduite au fur et à mesure que la distance séparant les paire d'électrodes augmente. Considérons, par exemple, qu'à la figure 5 la distance L2 séparant la seconde paire d'électrodes 20, 30 est double de la distance L1 séparant la première paire d'électrodes 10, 20. La résistance du volume V2 de liquide défini par la distance L2 sera le double de la résistance du volume V1 de liquide défini par la distance L1. La puissance dissipée dans le volume V2 sera donc la moitié de la puissance dans le volume V1. Or, le volume V2 est lui-même le double du volume V1. Dans cet exemple, on en conclut donc que l'élévation de température dans le volume V2 est réduite sensiblement au quart de l'élévation de température dans le volume V1.On obtient donc des sauts de température décroissants avec des distances croissantes entre paires d'électrodes le long du tube. Cette conséquence de la disposition à distance croissante des électrodes est très intéressante pour le traitement thermique des liquides alimentaires. Lors de la pasteurisation d'un produit, toutes les parties du produit doivent être portées à la température de pasteur pendant un certain temps pour inactiver tous les germes qui pourraient être présents. D'autre part, on cherche à dépasser le moins possible cette température pour ne pas altérer le produit. Il faut donc chauffer de façon précise et uniforme tout un volume de liquide. La stérilisation nécessite les mêmes précautions. Cette précision est obtenue selon l'invention avec une suite d'électrodes à distance de plus en plus grande. Comme le liquide est mélangé à chaque traversée d'une électrode de la suite d'électrodes, on obtient une bonne uniformisation de la température. D'autre part, on obtient une température précise car les sauts de température successifs sont de plus en plus réduits. L'invention concerne aussi l'alimentation électrique des électrodes. Diverses connexions d'électrodes à des alimentations électriques sont représentées aux figures 6a à 6e. La figure 6a rappelle la disposition la plus simple, à deux électrodes, El, E2, connectées à une alimentation électrique symétrique. L'électrode El est, par exemple, connectée à une tension U et l'électrode E2 à une tension U*. L'alimentation U-U* peut être alternative ou continue. Il est souvent préférable de connecter l'électrode aval (ctest-à-dire l'électrode E2 à la figure 6a) à la borne de masse U* ou à la terre. La figure 6b montre une disposition à trois électrodes respectivement El, E2, E3 dans le sens du flux de liquide. L'électrode centrale E2 est reliée à une tension U, tandis que les électrodes d'extrémité El et E3 sont connectées ensemble à l'autre borne de l'alimentation électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une électrode située à l'extrémité d'une suite d'électrodes connectées à une alimentation électrique est connectée à la masse. Ainsi le liquide qui s'écoule au-delà de l'électrode d'extrémité est porté à un potentiel nul. Comme le représente la figure 6b, les deux électrodes terminales El et E3 sont, de préférence, mises à la masse ou à la terre de l'installation électrique. Ainsi, le liquide en amont de l'électrode d'extrémité El et le liquide en aval de l'électrode d'extrémité E3 sont à un potentiel nul. Selon une autre caractéristique de l'invention, certaines électrodes sont à un potentiel flottant. La figure 6c représente ainsi une électrode F non connectée entre deux électrodes, El et E2, qui sont connectées respectivement à un potentiel U et U*. Comme les deux électrodes El, E2 sont chacune à un potentiel imposé, le potentiel de l'électrode intermédiaire F se fixe à une valeur intermédiaire à ceux des électrodes El et E2. Un avantage de cette électrode flottante est qu'elle modifie le parcours des lignes de courant et améliore l'uniformité du chauffage. De plus, cette électrode n'a pas besoin d'être alimentée. La figure 6d représente l'alimentation d'un ensemble d'électrodes par une tension triphasée. Quatre électrodes, El, E2, E3, E4, sont disposées dans le tube et sont alimentées par trois tensions de phase U1, U2, U3 de l'alimentation triphasée. Les trois premières électrodes El, E2, E3 sont connectées respectivement aux tensions U1, U2, U3 et la quatrième électrode E4 est connectée à la tension U1, comme la première électrode El. Ce montage est analogue au montage triangle bien connu en électricité. Les trois courants circulant entre les trois paires d'électrodes (El, E2), (E2, E3) et (E3, E4) correspondent aux courants circulant entre les trois paires de sommets d'un montage triangle. De préférence, les électrodes sont séparées par des distances X1, X2, X3 interélectrodes, croissantes dans le sens d'écoulement du liquide, tel que décrit précédemment. La mise à la terre des électrodes d'extrémité est aussi possible dans cette disposition. On relie alors les électrodes interconnectées El, E4 à la terre ou au neutre, les électrodes E2 et E3 étant toujours reliées respectivement à deux phases U2 et U3. Selon une variante, des électrodes flottantes sont intercalées entre les paires d'électrodes (El, E2), (E2, E3) et (E3, E4) auxquelles sont appliquées les tensions triphasées. La figure 6e représente une disposition particulièrement intéressante d'électrodes et de leur alimentation triphasée. Sept électrodes El, E2, E3, E4, E5, E6, E7 sont disposées dans cet ordre le long de l'axe du tube. Les trois tensions U1, U2, U3 sont appliquées aux électrodes E2, E4, E6. Les quatre autres électrodes El, E3, E5, E7 sont interconnectées. Chaque électrode de phase E2, E4, E6 est donc intercalée entre une paire d'électrodes interconnectées, respectivement (El, E3), (E3, E5) et (E5, E7). Les électrodes interconnectées peuvent avantageusement avoir un potentiel neutre par rapport aux potentiels des phases, si les distances X1, X2, X3, X4, X5, X6 sont correctement calculées. Ces électrodes neutres El, E3, E5, E7 peuvent aussi être reliées au neutre de l'alimentation triphasée ou à la terre. Ainsi les électrodes d'extrémité El, E7 sont à un potentiel sensiblement nul et les installations en amont et en aval de la série d'électrodes (El, ..., E7) sont protégées électriquement. Un autre avantage de cette disposition est le nombre élevé de volumes chauffants qui permet une montée graduelle en température. Comme décrit précédemment, les distances X1, ..., X6 seront croissantes dans le sens d'écoulement du liquide. Si le nombre de volumes chauffants est encore trop faible, des électrodes flottantes peuvent être intercalées entre électrode de phase et électrode de neutre (El, E2) ou (E2, E3) ... (E6, E7). L'appareil de chauffage électrique de liquide selon l'invention s'applique de préférence à la pasteurisation et à la stérilisation de liquides alimentaires. La disposition d'électrodes transversalement au tube a l'avantage majeur de permettre de former une suite de volumes chauffants. Dans chaque volume, la température du liquide s'élèvera d'un palier correspondant à la tension et à la distance interélectrodes. Cet échauffement graduel du liquide évite de surchauffer localement le liquide alimentaire et de l'altérer. D'autre part, la forme d'électrode en étoile permet le mélange du liquide. La température est ainsi uniformisée entre chaque palier. Ce mélange s'applique efficacement aux liquides visqueux, aux écoulements à vitesse élevée et aux liquides non-ioniques. Il est particulièrement important d'obtenir un mélange élevé du liquide lors de la pasteurisation ou de la stérilisation pour que la température soit la plus uniforme. En effet, si le moindre volume n'était pas porté à la température critique, il pourrait être à l'origine de la contamination de l'ensemble du volume. Cette uniformisation de la température est encore renforcée par la suite de paliers de température. Il est, de plus, préférable de prévoir des sauts de températures décroissants pour atteindre une température très précise et très uniforme. Cependant, la réalisation des électrodes sous forme d'étoile n'est pas limitative. De façon équivalente, une électrode peut être formée d'une série de barreaux disposés transversalement au tube ou encore d'une grille. Il suffit, en fait, de disposer une électrode ajourée dans un plan transversal au tube pour obtenir un obstacle au flux de liquide et le mélanger. C'est la disposition transversale des électrodes le long du tube qui est primordiale. Dans les revendications ci-jointes, l'expression "électrode en forme d'étoile" couvre ces équivalents. Un avantage du point de vue électrique est cette disposition transversale des électrodes qui permet de protéger électriquement les installations en amont et en aval du tube en connectant les électrodes terminales à la masse ou à la terre. Enfin, l'invention permet de multiples connexions électriques des électrodes et ne se limite pas à celles exposées dans la présente demande. REVENDICATIONS 1) Appareil de chauffage électrique d'un liquide, comprenant au moins un tube isolant (2) et des électrodes (10, 20) fixées à l'intérieur du tube, le liquide s'écoulant dans la direction longitudinale du tube (2), le chauffage étant effectué par conduction de courant électrique entre les électrodes (10, 20), à travers le liquide, caractérisé par des électrodes transversales (10, 20) en forme d'étoile, les électrodes (10, 20) étant séparées l'une par rapport à l'autre dans la direction longitudinale du tube (2) par un volume de liquide, le liquide se mélangeant lors de son écoulement en traversant chaque électrode (10) en forme d'étoile et le courant circulant, à travers chaque volume de liquide, sensiblement dans la direction longitudinale du tube (2). 2) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que des électrodes (10, 20) en forme d'étoile sont décalées angulairement (cx) le long du tube (2), le liquide s'écoulant avec un mouvement tourbillonnaire. 3) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les branches (11, ll, 11", 11) d'une électrode (10) en forme d'étoile ont une section elliptique. 4) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des distances longitudinales croissantes (L1, L2) séparent les électrodes (10, 20, 30) dans le sens d'écoulement du liquide. 5) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une électrode (F) est à un potentiel flottant, cette électrode (F) étant disposée entre deux électrodes (El, E2) connectées aux bornes (U, U*) d'une alimentation électrique. 6) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une électrode (El, E3, E7), située à l'extrémité d'une suite d'électrodes connectées à une alimentation électrique, est connectée à la masse ou au neutre. 7) Appareil de chauffage électrique d'un liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que trois électrodes (E2, E4, E6) sont connectées à une phase (Ul, U2, U3) respective d'une alimentation électrique triphasée et en ce qu'au moins une électrode (E3, E5), disposée entre deux électrodes de phase, est connectée au neutre.