Brevet FR2894655A1 — publié le 20070615

La présente invention concerne un échangeur thermique à vis et une installation pour le traitement thermique d'un matériau, mettant en oeuvre un tel échangeur thermique. Bien que plus particulièrement prévue pour le traitement thermique des boues d'épuration, et notamment leur séchage, l'échangeur thermique, conforme à l'invention, pourra être utilisé dans de nombreux domaines industriels où se posent, pour un matériau donné, des questions de traitement telle que de séchage, de chauffage ou de refroidissement, d'évaporation, de cuisson, d'étuvage ou de cristallisation par exemple. Le matériau traité pourra notamment être fluide, pulvérulent, granuleux ou pâteux. Il pourra également s'agir d'une suspension. Ainsi, un échangeur thermique, conforme à l'invention, trouvera son application, entre autres, dans les industries chimiques, pétrochimiques, agro-alimentaires, pharmaceutiques, métallurgiques ou plâtrières. Actuellement, dans le domaine des installations de traitement thermique d'un matériau, on connaît différents types d'échangeurs de type à vis de transport dudit matériau. A l'intérieur des spires de ladite vis circule un fluide caloporteur, apte à amener ou recevoir de la chaleur, pour le traitement thermique dudit matériau. Toutefois, dans les dispositifs existants, la cavité interne du corps de la vis communique avec toutes les spires de la vis. Ainsi, l'efficacité de l'échangeur thermique n'est pas optimisée puisqu'un volume de fluide caloporteur peut revenir en arrière et se mélanger avec un autre volume de fluide caloporteur placé à une température différente, plus haute si l'échangeur thermique permet d'amener de la chaleur au matériau à traiter, plus froide dans le cas contraire. De plus, lorsque le fluide caloporteur est de la vapeur d'eau à haute température, celle-ci va se condenser à l'intérieur de l'échangeur thermique, ce qui peut gêner le passage de vapeur d'eau qui ne s'est pas encore condensée. Une autre difficulté est celle liée aux variations de dimensions de l'échangeur thermique à vis, notamment du fait de la dilatation. En effet, les différentes parties de l'échangeur thermique à vis ne sont pas toutes soumises à la même température. Elles se dilatent donc de manière hétérogène entre elles, ce qui peut créer des contraintes au sein de l'échangeur thermique et diminuer sa durée de vie. Le but de la présente invention est de proposer un échangeur thermique qui pallie les inconvénients précités, en permettant notamment d'optimiser l'efficacité du traitement thermique. Un autre but de la présente invention est de proposer un échangeur thermique à vis ayant une durée de vie allongée, notamment par une meilleure tolérance aux variations de dimensions dues à la dilatation thermique. Un autre but de la présente invention est de fournir un échangeur thermique à vis simple à mettre en oeuvre et de coût réduit. D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne tout d'abord un échangeur thermique à vis, comprenant au moins une vis de transport entraînée en rotation, constituée d'une hélice creuse coopérant avec un corps tubulaire creux et munie de moyens d'alimentation en fluide caloporteur ainsi que de moyens de canalisation et de moyens d'évacuation dudit fluide caloporteur, caractérisé en ce que lesdits moyens de canalisation sont aptes, d'une part, à autoriser une circulation dudit fluide caloporteur, selon un chemin prédéfini, dans ladite hélice creuse et dans ledit corps tubulaire creux, et d'autre part, aptes à interdire la recirculation du fluide caloporteur ayant déjà suivi au moins une partie dudit chemin. L'invention concerne également une installation pour le traitement thermique d'un matériau liquide ou pâteux ou granulaire ou pulvérulent ou d'une suspension, notamment des boues des stations d'épuration, munie d'au moins un échangeur thermique à vis selon l'invention, ledit échangeur thermique étant placé dans une enceinte de traitement dudit matériau. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, accompagnée des dessins en annexe, qui en font partie intégrante, et parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un échangeur 5 thermique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une installation conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une installation conforme à l'invention, dans laquelle quatre échangeurs thermiques 10 sont mis en oeuvre. L'invention concerne tout d'abord un échangeur thermique à vis. Comme illustré à la figure 1, l'échangeur thermique 1 comprend au moins une vis 2 de transport entraînée en rotation, comme illustrée par la flèche 3, par un arbre d'entraînement 12, pour faire avancer le matériau à traiter selon 15 un sens et une vitesse souhaités. Ladite vis 2 est constituée d'une hélice creuse 4 coopérant avec un corps tubulaire creux 5. Ladite vis est munie en outre de moyens d'alimentation 6 en fluide caloporteur ainsi que des moyens de canalisation 7 et des moyens d'évacuation 8 dudit fluide caloporteur. 20 Selon le traitement thermique dudit matériau que l'on souhaite opérer, le fluide caloporteur pourra être de diverses natures. Par exemple, si le traitement thermique consiste en un apport de chaleur au matériau traité, pour le cuire, le sécher ou simplement le chauffer, on choisira un fluide caloporteur stable à haute température, en faisant en sorte que sa température de sortie, 25 au niveau de moyens d'évacuation 8, reste supérieure à la température initiale du matériau. Il s'agira notamment de vapeur d'eau, d'eau à l'état liquide sous pression ou d'un autre fluide. Si au contraire le traitement thermique consiste à absorber de la chaleur, notamment pour refroidir le matériau ou le faire cristalliser, on fera 30 circuler dans les moyens de canalisation un fluide à basse température. On choisira ledit fluide notamment de sorte que sa viscosité reste compatible avec une circulation dans lesdits moyens de canalisation 7. De plus, on ajustera la température d'entrée dudit fluide caloporteur de façon à ce qu'en sortie, il soit toujours à une température inférieure à la température initiale du matériau à traiter. Le fluide caloporteur pourra par exemple être une solution aqueuse fortement minéralisée, voire un gaz à basse ou très basse température Ainsi, un échangeur thermique conforme à l'invention pourra être alimenté en fluide caloporteur à une température variant, selon les situations, entre -30 C et 350 C. Conformément à l'invention, lesdits moyens de canalisation 7 sont aptes d'une part, à autoriser une circulation dudit fluide caloporteur, selon un chemin prédéfini dans ladite hélice creuse 4 et dans ledit corps tubulaire creux 5. Cela permet de s'assurer qu'un volume donné de fluide caloporteur, circulant dans lesdits moyens de canalisation 7, va entrer en contact avec la plus grande surface d'échange possible en parcourant ledit chemin. D'autre part, lesdits moyens de canalisation 7 son aptes à interdire la recirculation du fluide caloporteur ayant déjà suivi au moins une partie dudit chemin. Cette disposition permet d'établir un gradient de température le long dudit chemin prédéfini, qu'un volume de fluide caloporteur donné va suivre, toujours dans le même sens sans risquer de se mélanger avec un autre volume de fluide caloporteur situé en amont ou en aval. Avantageusement, soit lesdits moyens d'alimentation 6, soit lesdits moyens d'évacuation 8 communiquent avec le canal hélicoïdal 15 défini par ladite hélice creuse 4. Ledit canal hélicoïdal 15 communique avec ledit canal annulaire 11 au niveau de l'extrémité arrière 27 de ladite hélice creuse 4. Si c'est le canal hélicoïdal 15 qui communique avec lesdits moyens d'alimentation 6, alors le canal annulaire 11 communique avec lesdits moyens d'évacuation 8. La situation inverse est envisageable : elle est illustrée à la figure 1. Dans ce cas, ledit canal annulaire 11 communique avec lesdits moyens d'alimentation 6 et ledit canal hélicoïdal 15 communique avec lesdits moyens d'évacuation 8. Afin de réduire la quantité de fluide caloporteur nécessaire au fonctionnement de l'échangeur thermique, il est avantageux de prévoir en outre des moyens 9 pour réduire le volume interne dudit corps tubulaire creux 5 utile à la circulation dudit fluide caloporteur dans ledit corps tubulaire creux 5. Cette diminution du volume interne utile dudit corps tubulaire creux 5 permet également notamment de réaliser des économies d'énergie. En effet, pour obtenir une même vitesse de progression du fluide caloporteur dans les moyens de canalisation 7, on peut appliquer une pression inférieure à celle qu'il faudrait appliquer en l'absence des moyens 9 pour réduire le volume interne dudit corps tubulaire creux 5 utile à la circulation dudit fluide caloporteur. De plus, la dépense énergétique pour maintenir constante la différence de température du fluide caloporteur entre l'entrée et la sortie est moins importante, puisque le volume de fluide caloporteur est diminué. Avantageusement, lesdits moyens 9 pour réduire le volume interne du corps tubulaire creux 5 utile à la circulation dudit fluide caloporteur se présentent sous la forme d'un tube 10 définissant un volume fermé, disposé coaxialement audit corps tubulaire creux 5 et définissant avec ce dernier un canal annulaire 11 pour la canalisation dudit fluide caloporteur. Ledit tube 10 peut par exemple être solidaire de l'arbre d'entraînement 12 de ladite vis 2, soutenu et centré par une couronne 13 à l'extrémité dudit corps tubulaire creux 5. La couronne 13 pourra constituer un moyen de fermeture dudit corps tubulaire creux 4. Par ailleurs, on peut prévoir au moins une série de plots 14 de centrage et de support dudit tube 10. Par exemple, chaque série de plots sera constituée de trois plots 14, disposés en cercle avec entre eux un angle de 120 . Tout autre disposition peut être envisagée, mais bien sûr, il ne faut pas que ces plots 14 gênent outre mesure la circulation du fluide caloporteur. De manière avantageuse, lesdits moyens d'alimentation 6 et d'évacuation 8 se présentent sous la forme d'un arbre creux 16 divisé en deux zones coaxiales isolées l'une de l'autre, l'une dite centrale 17, l'autre périphérique 18, par une paroi 19 cylindrique coaxiale audit arbre creux 16. Ainsi, comme le montre la figure 2, le fluide caloporteur, qui arrive au niveau des moyens d'alimentation 6, passe dans la zone centrale 17 de l'arbre creux 16. Ladite zone centrale 17 débouche à son extrémité 20, opposée à l'entrée de l'alimentation 6, dans le volume interne dudit corps tubulaire creux 5 utile à la circulation dudit fluide caloporteur. Le fluide caloporteur passe ensuite dans le canal annulaire 11 et parcourt toute la longueur du corps tubulaire creux 5. Enfin, le fluide caloporteur passe dans ledit canal hélicoïdal 15 grâce à notamment deux orifices 21, 22 percés dans la paroi dudit corps tubulaire creux 5, au voisinage de l'extrémité arrière 27 de ladite hélice creuse 4 coopérant avec ledit canal hélicoïdal 15. Le fluide caloporteur poursuit son chemin le long du canal hélicoïdal, qu'il parcourt intégralement avant d'être évacué, au niveau de l'extrémité avant 26 de ladite hélice creuse 4, par l'intermédiaire de notamment deux autres orifices traversant 23, 24, percés dans la paroi dudit corps tubulaire creux 5 et dans ledit arbre creux 16, pour déboucher dans la zone périphérique 18 dudit arbre creux 16 d'alimentation et d'évacuation. Lesdits orifices traversant 21, 22 sont prévus à 180 l'un de l'autre, de même que lesdits orifices traversant 23, 24. D'autres dispositions pourraient toutefois être envisagées. Entre l'extrémité 20 dudit arbre creux 16, par laquelle passe ledit fluide caloporteur pour circuler de ladite zone centrale 17 audit canal annulaire 11, et la partie de ladite zone périphérique 18 dans laquelle débouchent lesdits trous traversant 23, 24, on prévoit des moyens de bouchage 25 de ladite zone périphérique 18, pour empêcher ledit fluide caloporteur évacué de refluer vers ledit canal annulaire 11. Lesdits moyens de bouchage pourront se présenter sous la forme d'une couronne soudée à l'intérieur de ladite zone périphérique 18 dudit arbre creux 16. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ladite hélice creuse 4 est assujettie, au moins par ses extrémités avant 26 et arrière 27 audit corps tubulaire creux 5. Le reste de ladite hélice creuse 4 demeure coulissant sur ledit corps tubulaire creux 5. De la sorte, si du fait de la température, positive ou négative, le corps tubulaire creux 5 se dilate ou se rétracte, la partie médiane de ladite hélice creuse peut coulisser le long dudit corps tubulaire creux 5. Le dispositif présente donc une meilleure tolérance à la dilatation thermique absolue. De même, il présente une meilleure tolérance à la compression mécanique puisque ladite hélice creuse 4 peut réagir comme un ressort si du matériau en cours de traitement est bloqué entre les pales de l'hélice creuse 4. Avantageusement, ladite hélice creuse 4 est assujettie à un plat 28 de forme hélicoïdale, enroulé autour dudit corps tubulaire creux 5. Ledit plat 28 forme un patin pour ladite hélice creuse 4. Dans ce cas, c'est ledit patin 28 qui est soudé à ses extrémités audit corps tubulaire creux 5 pour assujettir ladite hélice creuse 4 audit corps tubulaire creux 5. La partie médiane du patin est donc apte à coulisser sur ledit corps tubulaire creux 5. Le fait d'assujettir ladite hélice creuse 4 audit corps tubulaire 5 au niveau de ses extrémités permet de garantir que ledit canal annulaire 11 communique avec ledit canal hélicoïdal 15 au niveau des orifices traversant 21, 22, et que ledit canal hélicoïdal 15 communique avec ladite zone périphérique 18 dudit arbre creux 16, au niveau des orifices traversant 23 et 24. Selon une autre caractéristique avantageuse de construction, ladite hélice creuse 4 est constituée d'au moins deux bandes hélicoïdales formant assiette 29 et plateau 30. Les bords distaux 31 desdites bandes 29, 30 sont soudés entre eux. Les bords proximaux 32, 33 desdites bandes sont soudés au support de ladite hélice creuse 4. En particulier, les bords proximaux 32, 33 desdites bandes hélicoïdales 29, 30 sont soudés au patin 28 formant support de ladite hélice creuse 4. Avantageusement, la bande 30 formant plateau présente un coude 34 au voisinage de son bord distal 31. Par ailleurs, pour améliorer la résistance à la corrosion30 chimique et/ou à l'usure mécanique du corps tubulaire creux 5, celui-ci peut présenter un chemisage extérieur 35. Il s'agira par exemple d'un chemisage en acier inoxydable. L'invention concerne également une installation pour le traitement thermique d'un matériau liquide, pâteux, granulaire ou pulvérulent ou d'une suspension, notamment mais non limitativement des boues des stations d'épuration. En référence à la figure 2, une telle installation est munie d'au moins un échangeur thermique 1 placé dans une enceinte 36 de traitement thermique dudit matériau. Ladite enceinte 36 comporte une entrée 37 pour le matériau à traiter et une sortie 38 pour le matériau traité. Ladite enceinte 36 peut également comporter des trappes d'inspection (non illustrées) ainsi qu'une sortie pour les buées (non illustrée). A l'avant du dispositif, on peut trouver des moyens pour contrôler d'une part les températures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur et d'autre part le débit dudit fluide caloporteur dans lesdits moyens de canalisation 7. De tels moyens sont d'un usage courant dans ce type d'installation. A l'autre extrémité du dispositif, on trouve des moyens d'entraînement dudit échangeur thermique à vis, selon des caractéristiques 20 également connues par ailleurs. Comme illustrée à la figure 3, ladite installation comporte au moins deux échangeurs thermiques 1 conformes à l'invention. Lesdits échangeurs thermiques 1 sont disposés parallèlement les uns aux autres. Avantageusement, deux échangeurs thermiques voisins tournent en sens 25 contraire. Tels qu'illustrés à la figure 3, les échangeurs thermiques la et 1c tournent dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que les échangeurs thermiques lb et 1d tournent dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. De plus, les hélices d'échangeurs thermiques voisins sont 30 imbriquées les unes dans les autres, de telle sorte que les pales de l'une coopèrent avec les sillons de ses voisines. Pour ce faire, deux hélices voisines seront orientées l'une à droite, l'autre à gauche. Naturellement, d'autres modes de mise en oeuvre à la portée de l'homme de l'art, auraient pu encore être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique (1) à vis, comprenant au moins une vis (2) de transport entraînée en rotation, constituée d'une hélice creuse (4) coopérant avec un corps tubulaire creux (5) et munie de moyens d'alimentation (6) en fluide caloporteur ainsi que de moyens de canalisation (7) et de moyens d'évacuation (8) dudit fluide caloporteur, caractérisé en ce que lesdits moyens de canalisation (7) sont aptes, d'une part, à autoriser une circulation dudit fluide caloporteur, selon un chemin prédéfini, dans ladite hélice creuse (4) et dans ledit corps tubulaire creux (5), et d'autre part, aptes à interdire la recirculation du fluide caloporteur ayant déjà suivi au moins une partie dudit chemin. 2. Echangeur thermique (1) selon la revendication 1, dans lequel soit lesdits moyens d'alimentation (6), soit lesdits moyens d'évacuation (8) communiquent avec le canal hélicoïdal (15) défini par ladite hélice creuse (4), l'autre communiquant avec ledit volume interne utile à la circulation dudit fluide. 3. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendication 1 ou 2, dans lequel ledit corps tubulaire creux (5) comprend en outre des moyens (9) pour réduire son volume interne utile à la circulation dudit fluide. 4. Echangeur thermique (1) selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens (9) pour réduire ledit volume interne utile se présentent sous la forme d'un tube (10) définissant un volume fermé, disposé coaxialement audit corps tubulaire creux (5) et définissant avec ce dernier un canal annulaire pour la canalisation dudit fluide. 5. Echangeur thermique (1) selon les revendications 2 et 4, dans lequel lesdits moyens d'alimentation (6) et d'évacuation (8) se présentent sous la forme d'un arbre creux (16) divisé en deux zones (17, 18) concentriques isolées et dans lequel ledit fluide caloporteur circule successivement dans la zone centrale (17) dudit arbre creux (16), puis dans ledit canal annulaire (11), ensuite dans ledit canal hélicoïdal (15) avant d'être évacué dans la zone périphérique (18)dudit arbre creux (16). 6. Echangeur thermique (1) selon l'une quelconque desrevendications précédentes, dans lequel ladite hélice creuse (4) est assujettie au moins par ses extrémités (26, 27) audit corps tubulaire creux (5), le reste de ladite hélice creuse (4) demeurant coulissant sur ledit corps tubulaire creux (5), pour autoriser une tolérance à la dilatation thermique et à la compression mécanique. 7. Echangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite hélice creuse (4) est assujettie à un plat (28) de forme hélicoïdale enroulée autour dudit corps tubulaire creux (5), formant patin pour ladite hélice creuse (4), ledit patin (28) étant soudé à ses extrémités audit corps tubulaire creux (5) et le reste dudit patin (27) étant apte à coulisser sur ledit corps tubulaire creux (5). 8. Echangeur thermique (1) selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel ladite hélice creuse (4) est constituée d'au moins deux bandes (29, 30) hélicoïdales, formant assiette (29) et plateau (30) de ladite hélice creuse (4), les bords distaux (31) desdites bandes étant soudés entre eux et les bords proximaux (32, 33) desdites bandes étant soudés au support de ladite hélice creuse (4). 9. Echangeur thermique (1) selon la revendication 8, dans lequel ladite bande formant plateau (30) présente un coude (34) au voisinage 20 de son bord distal (31). 10. Echangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ans lequel ledit corps tubulaire creux présente un chemisage extérieur (35) pour résister à la corrosion chimique et/ou à l'usure mécanique. 25 11. Installation pour le traitement thermique d'une suspension ou d'un matériau liquide ou pâteux ou granulaire ou pulvérulent, notamment des boues de station d'épuration, munie d'au moins un échangeur thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit échangeur thermique étant placé dans une enceinte (36) de traitement dudit matériau. 30 12. Installation selon la revendication 11 munie d'au moins deux échangeurs thermiques et dans laquelle lesdits échangeurs thermiques sont disposés parallèlement les uns aux autres, deux échangeurs thermiquesvoisins étant entraînés en rotation dans des sens opposés, les pales de l'hélice de l'un coopérant avec le sillon de l'hélice du ou de ses voisins.