Brevet FR2818367A1 — publié le 20020621

Appareil à enveloppes tubulaires coaxiales tel qu'un échangeur de température annulaire La présente invention concerne un appareil, tel qu'un échangeur de température annulaire, constitué d'au moins trois enveloppes tubulaires coaxiales, dites respectivement enveloppe intérieure, enveloppe intermédiaire et enveloppe extérieure. Ces enveloppes délimitent entre elles au moins une chambre annulaire de mise à température de produits, intercalée entre deux chambres de circulation d'un fluide caloporteur. Elle concerne plus particulièrement un appareil dans lequel la chambre de mise à température de produit est pourvue d'au moins une entretoise radiale portée par l'enveloppe intérieure de l'échangeur. Les échangeurs de température ou échangeurs de chaleur sont des appareils destinés à réchauffer et/ou à refroidir un fluide au moyen d'un autre fluide circulant à une température différente. De tels appareils sont notamment utilisés dans le domaine de l'agro-alimentaire et sont bien connus à ceux versés dans cet art. Ces échangeurs sont plus particulièrement adaptés au traitement de produits à viscosité élevée et à pH bas ou élevé. Bien que l'introduction, dans la chambre de mise à température de produit, d'une entretoise radiale ait permis de perfectionner de tels échangeurs, notamment en imposant au produit à traiter un parcours déterminé de manière à obtenir une température plus homogène en sortie du produit et à pouvoir augmenter la surface d'échanges tout en maintenant un encombrement réduit de l'échangeur, de tels échangeurs présentent encore toutefois un certain nombre d'inconvénients. Ils nécessitent en particulier l'utilisation de pompes puissantes pour permettre l'alimentation en produit de la chambre de circulation de produits en raison de la nature des produits à réchauffer et/ou à refroidir, dont la viscosité est particulièrement élevée. Un but de la présente invention est donc de proposer un appareil tel qu'un échangeur de température annulaire dont la conception permet de réduire la puissance ou de s'affranchir d'une pompe externe à l'échangeur et servant à l'alimentation de la chambre en produit de manière à obtenir un appareil apte à s'auto-alimenter en produit. Un autre but de la présente invention est de proposer un appareil tel qu'un échangeur de chaleur dont la conception permet de refouler sous pression le produit circulant dans la chambre de manière à supprimer toute pompe ou organe de reprise en sortie d'échangeur. Un autre but de la présente invention est de proposer un appareil tel qu'un échangeur de chaleur dont la conception permet de faciliter le changement de joint sans avoir à procéder au vidage et/ou au démontage de l'installation du fluide caloporteur. A cet effet, l'invention a pour objet un appareil, tel qu'un échangeur de température annulaire, constitué d'au moins trois enveloppes tubulaires coaxiales dites respectivement enveloppe intérieure, enveloppe intermédiaire et enveloppe extérieure, ces enveloppes délimitant entre elles au moins une chambre annulaire de mise à température de produits intercalée entre deux chambres, respectivement intérieure et extérieure de circulation d'un fluide caloporteur, la chambre de circulation de produit étant munie d'une entretoise radiale portée par l'enveloppe intérieure, cette entretoise radiale affectant la forme d'une cloison spiralée pour guider hélicoïdalement le produit à traiter entre lesdites chambres de circulation de fluide caloporteur, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure affecte la forme d'un tambour muni d'un axe d'entraînement en rotation, cet axe possédant au moins un passage axial pour l'alimentation du tambour en fluide caloporteur de manière telle que, lorsqu'on entraîne en rotation ledit axe et le tambour associé, on produit à l'intérieur de la chambre de circulation de produit un entraînement positif dudit produit permettant d'une part de supprimer ou de réduire la puissance d'une pompe externe à l'échangeur et servant à l'alimentation de la chambre en produit, d'autre part de supprimer la présence d'un organe de reprise tel qu'une pompe en sortie de chambre. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente une vue schématique en coupe d'un appareil, tel qu'un échangeur de température annulaire, conforme à l'invention. Comme mentionné ci-dessus, l'appareil de type échangeur de température annulaire, objet de l'invention, est plus particulièrement destiné au traitement de produits visqueux, pâteux et épais. Cet échangeur de température annulaire est constitué d'au moins trois enveloppes tubulaires coaxiales représentées de 1 à 3 à la figure unique. Ces enveloppes sont constituées par de simples tubes cylindriques. L'enveloppe intérieure 1, l'enveloppe intermédiaire 2 et l'enveloppe extérieure 3 délimitent entre elles une chambre CP annulaire de mise à température de produit intercalée entre deux chambres Cl et C2 de circulation d'un fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur peut être constitué par de l'air ou de l'eau ou par tout autre fluide apte à être réchauffé ou refroidi. La chambre CP de mise à température de produit est pourvue, par ailleurs, d'au moins une entretoise radiale portée par l'enveloppe intérieure 1 de l'appareil. Cette entretoise radiale affecte, dans l'exemple représenté, la forme d'une cloison 4 spiralée pour conduire hélicoïdalement, généralement à contre-courant, le produit à traiter entre lesdites chambres Cl et C2 de circulation de fluide caloporteur. La présence de cette entretoise radiale permet de maintenir un flux continu et homogène à l'intérieur de la chambre CP de mise à température de produit sans zone ou point de rétention et sans courant prioritaire souvent lié au flux laminaire. Cette entretoise radiale portée par l'enveloppe intérieure 1 est généralement fixée par soudage à la face externe de l'enveloppe intérieure 1. De manière caractéristique à l'invention, l'enveloppe intérieure 1 affecte la forme d'un tambour muni d'un axe 5 d'entraînement en rotation du tambour autour de son axe longitudinal central. Cet axe 5 d'entraînement en rotation du tambour est constitué dans l'exemple représenté de deux demi-axes disposés à chacune des extrémités du tambour, ces axes étant disposés coaxiaux à l'axe longitudinal central du tambour. L'un de ces demi-axes 5 est muni d'un pignon il d'entraînement en rotation dudit axe. Ce pignon 11 est couplé à un arbre moteur par l'intermédiaire d'une transmission, de préférence sans fin, telle qu'une transmission à chaîne ou à courroie (non représentée). Cet axe 5 possède encore au moins un passage 6 axial pour l'alimentation du tambour en fluide caloporteur Pour permettre cette alimentation en fluide caloporteur, chaque demi-axe est pourvu d'un joint tournant 12 permettant le raccordement de l'axe au circuit d'alimentation en fluide caloporteur. La rotation de l'enveloppe intérieure 1 et par suite de la cloison 4 spiralée portée par cette enveloppe intérieure permet de produire à l'intérieur de la chambre CP de circulation de produit un entraînement positif dudit produit. Cet entraînement positif du produit crée, en particulier en présence de produits visqueux, un vide en entrée de la chambre CP sous l'effet de l'avancée du produit qui étanchéifie les parties tournantes. Il en résulte la possibilité soit de supprimer, soit de réduire la puissance de la pompe externe à l'échangeur et servant à l'alimentation de la chambre en produit. On obtient ainsi un échangeur annulaire s'auto-alimentant et refoulant sous pression. Parallèlement, pour optimiser la vitesse de circulation du fluide caloporteur, l'enveloppe intérieure 1 de l'échangeur est pourvue intérieurement d'un corps 7, dit corps mort, rotatif, solidaire en rotation de l'enveloppe intérieure 1, de manière à réduire le volume de la chambre Cl de circulation de fluide caloporteur délimitée par l'enveloppe intérieure 1. Le corps mort 7 est maintenu dans ladite enveloppe 1 par une entretoise radiale affectant la forme d'une cloison spiralée fixée audit corps-mort 7. Ce corps mort 7 est solidaire en rotation de l'enveloppe intérieure 1 par l'intermédiaire de l'axe 5 d'entraînement en rotation qui se prolonge jusqu'au corps-mort pour permettre l'alimentation en fluide caloporteur de la chambre intérieure Cl de circulation de fluide caloporteur. L'axe 5 est, à cet effet, muni d'une sortie radiale de fluide représenté en 14 à la figure unique, cette sortie radiale servant à l'alimentation de la chambre Cl. Pour les mêmes raisons, la chambre externe de circulation de fluide caloporteur est munie d'une entretoise radiale portée par l'enveloppe extérieure 3, cette entretoise radiale affectant la forme d'une cloison spiralée pour guider hélicoïdalement le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ladite chambre. Toutes ces cloisons spiralées sont généralement fixées par soudure sur l'enveloppe correspondante. La vitesse du fluide caloporteur circulant à l'intérieur de chaque chambre peut ainsi être déterminée avec précision en fonction à la fois du volume de la chambre et du pas de la spire de manière à permettre un grand nombre de configurations fonctions de la vitesse de fluide souhaitée et de la pression de refoulement souhaitée. Comme le montre la figure unique, la circulation de fluide caloporteur à l'intérieur de la chambre Cl s'effectue depuis l'entrée du fluide caloporteur dans la chambre à travers l'axe 5 rotatif en direction de l'autre demi-axe rotatif 5. L'entrée et la sortie de fluide de la chambre Cl sont donc coaxiales à la chambre. La chambre CP de circulation de produit est quant à elle munie d'une entrée et d'une sortie radiales de produit. Il en est de même pour la chambre C2 externe de circulation de fluide caloporteur. Il est à noter que, pour des raisons de clarté de la figure, les cloisons spiralées des chambres Cl et C2 n'ont pas été représentées. Seule la cloison spiralée de la chambre CP de circulation de produit a été représentée. Pour faciliter la maintenance d'un tel échangeur, l'axe 5 rotatif de l'appareil est entouré d'au moins un joint 8 disposé dans un alésage du corps de l'appareil. Ce joint 8 est maintenu par une bague 13, telle qu'une bague presse- étoupe, amovible. Cette bague est susceptible d'être dégagée du corps de l'appareil pour avoir accès au joint 8 d'étanchéité. Un magasin 9 à joints 10 est disposé sur ce même axe 5 pour avoir à disposition immédiate de la bague 13 une réserve de joints. Ce magasin 9 à joints 10 se présente sous forme de deux demi-coquilles enveloppant l'axe rotatif de l'appareil et contenant des joints 10 entourant ledit axe 5. Cette coquille est rendue solidaire de l'axe 5 pour éviter une usure des joints lors des phases de fonctionnement de l'appareil. La bague 13 presse étoupe du type avec épaulement est quant à elle formée par assemblage de deux demi-anneaux. Cette bague 13 est logée à l'intérieur d'une bride à épaulement (non représentée). Les joints 8 positionnés autour de l'axe 5 rotatif et disposés dans un alésage du corps de l'appareil sont séparés les uns des autres par des anneaux anti-fluage. Lors de l'endommagement d'un joint nécessitant son changement, la bague 13 presse-étoupe est démontée et enlevée. Les joints 8 sont alors sortis de leur logement puis coupés afin d'être enlevés de l'axe 5. Le magasin 9 à joints 10 est également ouvert pour permettre la sortie d'au moins un joint 10 de ce magasin. Ce joint 10 est alors déplacé en coulissement axial sur l'axe 5 pour venir se substituer au joint 8 endommagé. Une fois les joints 10 extraits du magasin, le magasin 9 est remonté par réassemblage des demi-coquilles. De la même manière, une fois les joints 8 repositionnés dans l'alésage du corps de l'appareil, la bague 13 presse-étoupe est redisposée sur l'axe 5 par réassemblage des demi-anneaux de la bague 13. Il en résulte un temps de changement des joints particulièrement court, ce changement ne nécessitant aucun démontage du corps de l'appareil. REVENDICATIONS 1. Appareil, tel qu'échangeur de température annulaire, constitué d'au moins trois enveloppes (1,2, 3) tubulaires coaxiales dites respectivement enveloppe intérieure (1), enveloppe intermédiaire (2) et enveloppe extérieure (3), ces enveloppes (1,2, 3) délimitant entre elles au moins une chambre (CP) annulaire de mise à température de produits intercalée entre deux chambres (CI), (C2) respectivement intérieure et extérieure de circulation d'un fluide caloporteur, la chambre (CP) de circulation de produit étant munie d'une entretoise radiale portée par l'enveloppe intérieure (1), cette entretoise radiale affectant la forme d'une cloison (4) spiralée pour guider hélicoïdalement le produit à traiter entre lesdites chambres (Cl, C2) de circulation de fluide caloporteur, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (1) affecte la forme d'un tambour muni d'un axe (5) d'entraînement en rotation, cet axe (5) possédant au moins un passage (6) axial pour l'alimentation du tambour en fluide caloporteur de manière telle que, lorsqu'on entraîne en rotation ledit axe (5) et le tambour associé, on produit à l'intérieur de la chambre (CP) de circulation de produit un entraînement positif dudit produit permettant d'une part de supprimer ou de réduire la puissance d'une pompe externe à l'échangeur et servant à l'alimentation de la chambre en produit d'autre part de supprimer la présence d'un organe de reprise tel qu'une pompe en sortie de la chambre de circulation de produit. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (1) de l'échangeur est pourvue intérieurement d'un corps (7), dit corps mort, de manière à réduire le volume de la chambre (CI) de circulation de fluide caloporteur délimitée par l'enveloppe intérieure (1), ce corps mort (7) étant maintenu dans ladite enveloppe (1) par une entretoise radiale affectant la forme d'une cloison spiralée fixée audit corps mort (7) de manière à optimiser la vitesse de circulation du fluide caloporteur guidé hélicoïdalement à l'intérieur de l'enveloppe intérieure (1). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps mort (7) est solidaire en rotation de l'enveloppe intérieure (1) 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chambre externe (C2) de circulation de fluide caloporteur est munie d'une entretoise radiale portée par l'enveloppe extérieure (3), cette entretoise radiale affectant la forme d'une cloison spiralée pour guider hélicoïdalement le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ladite chambre (C2). 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'axe (5) rotatif de l'appareil est entouré d'au moins un joint (8) disposé dans un alésage du corps de l'appareil et maintenu par une bague (13), telle qu'une bague presse étoupe, amovible susceptible d'être dégagée du corps de l'appareil pour avoir accès au joint (8) d'étanchéité, un magasin (9) à joints (10) étant disposé sur ce même axe (5) pour avoir à disposition immédiate de la bague (9) une réserve de joints. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le magasin (9) de joints (10) se présente sous forme de deux demi-coquilles enveloppant l'axe (5) rotatif de l'appareil et contenant les joints (10) entourant ledit axe (5), cette coquille étant rendue solidaire de l'axe (5) pour éviter une usure des joints (10) lors des phases de fonctionnement de l'appareil. 7. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la bague (13) presse-étoupe du type à épaulement est formée par assemblage de deux demi-anneaux, cette bague (13) étant logée à l'intérieur d'une bride à épaulement.