Brevet FR3030027A1 — publié le 20160617

Echangeur thermique hélicoïdale à conduits concentriques, constitué par plusieurs portions hélicoïdales autonomes en capacité d'échange thermique. Le domaine de l'invention est celui de la conception et de la fabrication des équipements d'échange thermique entre fluides. Plus précisément, l'invention concerne un échangeur thermique de type hélicoïdal, comprenant deux conduits concentriques dont un est destiné à l'écoulement d'un produit à traiter thermiquement et l'autre est destiné au passage d'un fluide caloporteur. Dans le domaine de l'invention, les échangeurs thermiques hélicoïdaux sont connus. Selon une conception classique, ces échangeurs comprennent : un conduit d'écoulement d'un fluide à traiter ; un conduit pour le passage d'un fluide caloporteur, ce conduit formant une chambre annulaire délimitée par sa propre paroi et par celle du conduit d'écoulement du fluide à traiter, les deux conduits étant concentriques. Généralement, l'écoulement du fluide à traiter s'effectue selon une direction opposée à la circulation du fluide caloporteur. Avec de tels échangeurs, il est possible d'effectuer des échanges thermiques dans le sens conduisant tant à un réchauffement du fluide à traiter qu'à un refroidissement du fluide à traiter. La capacité, et donc les dimensions, de ces échangeurs peuvent varier autant que de besoins. Couramment, le diamètre des spires de l'échangeur thermique hélicoïdal est de l'ordre du mètre, les conduits s'étendant eux sur une longueur de plusieurs mètres. La conception classique de ces échangeurs implique plusieurs inconvénients parmi lesquels : l'échange thermique s'effectue avec le même fluide caloporteur, d'un bout à l'autre de l'échangeur thermique, conduisant à un type unique d'échange thermique, sans possibilité de variation ou de modularité ; 3030027 2 le débit de fluide caloporteur dans le conduit annulaire est limité par la section de passage annulaire dudit conduit, ce qui se traduit en limite de capacité d'échange thermique de l'échangeur, sauf à augmenter la capacité de mise en circulation du fluide 5 caloporteur et/ou le diamètre du conduit correspondant, ce qui se ferait alors au détriment du coût de l'équipement. Les échangeurs thermiques hélicoïdaux de l'état de l'art s'avèrent donc certes intéressants de par leur faible encombrement, mais impliquent toutefois actuellement des possibilités d'applications relativement faibles. 10 L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un échangeur thermique hélicoïdal, à conduits concentriques, qui présente des capacités étendues, tant en terme d'efficacité que de variations possibles 15 des traitements thermiques pouvant être réalisés. L'invention a également pour objectif de fournir un tel échangeur thermique qui permette d'augmenter la capacité d'échange thermique du fluide caloporteur, ceci avec des moyens de mise en circulation des fluides caloporteurs de même puissance que ceux utilisés avec l'art antérieur. 20 Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un échangeur thermique hélicoïdal du type comprenant deux conduits concentriques, dont un premier conduit pour l'écoulement d'un fluide à traiter thermiquement et un deuxième conduit pour le passage d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il est 25 divisé en au moins deux portions hélicoïdales dans chacune desquelles le premier conduit débouche à chaque extrémité de la portion hélicoïdale, tandis que le deuxième conduit constitue une chambre fermée aux extrémités de la portion hélicoïdale et présente un piquage à chaque extrémité de la portion. 30 Ainsi, grâce à l'invention, chaque portion hélicoïdale de l'échangeur thermique est susceptible d'être autonome quant à l'échange thermique qu'elle produit entre le fluide caloporteur et le fluide à traiter. 3030027 3 En effet, tandis que le fluide à traiter circule d'un bout à l'autre de l'échangeur thermique et est soumis aux échanges thermiques avec chacune des portions hélicoïdales successives, le fluide caloporteur circule quant à lui indépendamment dans chacune des portions hélicoïdales successives. 5 Il en résulte qu'il est possible de faire circuler un fluide caloporteur présentant des caractéristiques de températures différentes d'une portion hélicoïdale à l'autre. Ainsi, il est possible avec un échangeur thermique selon l'invention d'effectuer par exemple le cycle d'échange thermique suivant : - chauffage à une température prédéterminée sur une première 10 portion ou sur un premier ensemble de portions hélicoïdales de l'échangeur thermique ; - chambrage (une phase de chambrage consistant à faire circuler le flux à traiter à sa propre température, sans interaction avec un fluide caloporteur, le deuxième conduit étant par conséquent 15 vide) sur une deuxième portion ou sur un deuxième ensemble de portions hélicoïdales de l'échangeur ; - un refroidissement sur une troisième portion ou sur un troisième ensemble de portions hélicoïdales de l'échangeur thermique. Bien entendu, différentes possibilités et modularités sont 20 envisageables. On note qu'un échangeur thermique selon l'invention permet également d'effectuer un traitement de type basique, avec la même température de fluide caloporteur dans toutes les portions hélicoïdales. Selon un autre avantage de l'invention, la longueur de circulation du 25 fluide caloporteur pour une seule portion hélicoïdale est notablement réduite par rapport à la longueur totale de l'échangeur thermique, ce qui permet d'assurer un débit satisfaisant du fluide, voire supérieur aux échangeurs de l'art antérieur (pour des diamètres de conduit identique), ceci sans augmentation de la puissance des moyens de mise en circulation 30 correspondants. 3030027 4 En outre, la capacité d'échanges thermiques du fluide caloporteur est optimisée, du fait d'un échange thermique sur une moindre longueur avec le fluide à traiter. Par ailleurs, le recours aux portions hélicoïdales successives dans un 5 échangeur thermique selon l'invention s'avère également avantageux en termes de modularité de conception des échangeurs thermiques. En effet, en fonction des besoins, il est possible d'augmenter ou de réduire le nombre de portions hélicoïdales. Ces dernières sont donc possiblement fabriquées à l'identique et, en fonction de l'attente des 10 utilisateurs, il suffit de réaliser l'assemblage des portions hélicoïdales selon la longueur d'échange thermique voulu. On peut de cette façon réduire les coûts de fabrication et/ou les durées de livraison (en disposant d'un stock de portions hélicoïdales fabriquées à l'avance). Selon une solution avantageuse, le deuxième conduit constitue une 15 chambre annulaire s'étendant autour du premier conduit. On conserve de cette façon une conception classique des échangeurs thermiques à conduits concentriques, facilitant, dans le contexte de l'invention, la mise en oeuvre des piquages à chaque extrémité des portions hélicoïdales. 20 Avantageusement, chaque portion hélicoïdale présente à chacune de ses extrémités une collerette d'assemblage. Dans ce cas, les portions hélicoïdales sont solidarisées deux à deux par soudage des collerettes d'assemblage. De cette façon, on peut assembler relativement rapidement les 25 portions hélicoïdales de proche en proche, tout en garantissant, de par la réalisation d'un cordon de soudage approprié, l'étanchéité de l'échangeur. Selon une variante envisageable, les portions hélicoïdales sont solidarisées deux à deux de façon amovible. Ainsi, il est possible d'adapter la capacité de l'échangeur autant que 30 de besoin. L'utilisateur peut même être autonome s'agissant d'ajouter ou d'enlever des portions hélicoïdales à son échangeur thermique pour en faire varier sa capacité. 3030027 5 En outre, l'échangeur est de cette façon facilement démontable, ce qui peut permettre de facilité son nettoyage et son rinçage. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque portion hélicoïdale s'étend sur une longueur correspondant à une spire hélicoïdale. 5 Une telle caractéristique s'avère avantageuse notamment en ce que : une telle longueur de portion optimise la modularité d'assemblage d'un échangeur thermique selon l'invention ; chaque portion hélicoïdale présente un encombrement relativement réduit, facilitant leur stockage ; 10 la longueur de circulation du fluide caloporteur est optimale s'agissant des paramètres de longueur de circulation, débit et rendement thermique. Préférentiellement, l'échangeur thermique comprend des moyens de bridage de chaque portion hélicoïdale. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un échangeur 20 thermique hélicoïdal selon l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique d'une portion hélicoïdale d'un échangeur thermique selon l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique d'une extrémité d'une portion hélicoïdale d'un échangeur thermique selon 25 l'invention. En référence à la figure 1, un échangeur thermique hélicoïdal selon l'invention comprend deux conduits concentriques, dont un premier conduit 1 pour l'écoulement d'un fluide à traiter thermiquement, et un deuxième conduit 2 pour le passage d'un fluide caloporteur. 30 Le premier conduit est relié à un circuit 10 (représenté symboliquement) de circulation du fluide à traiter. 3030027 6 Selon le principe de l'invention, l'échangeur thermique est divisé en au moins deux, et selon le présent mode de réalisation, en une pluralité de portions hélicoïdales 3 telles que celles illustrées par la figure 2. Tel que cela apparaît sur la figure 2, chaque portion hélicoïdale 3 est 5 conçue de telle sorte que le premier conduit, c'est-à-dire celui dans lequel circule le flux à traiter thermiquement, débouche à chaque extrémité de la portion hélicoïdale. Le deuxième conduit constitue quant à lui une chambre fermée aux extrémités de la portion hélicoïdale, et présente à chacune de ses extrémités un piquage 20 destiné à être relié à un circuit collecteur 4, 5 10 (tel que cela apparaît sur la figure 1). Selon le présent mode de réalisation, le deuxième conduit dans lequel passe le fluide caloporteur constitue une chambre annulaire autour du premier conduit 1. Tel que cela apparaît sur les figures 1 et 2, les portions hélicoïdales 15 présentent à chacune de leurs extrémités une collerette d'assemblage 31, les deux collerettes de deux portions hélicoïdales contigües étant destinées à être solidarisées ensemble. Selon une première variante de réalisation, ces collerettes sont solidarisées entre elles par soudage. 20 Selon une deuxième variante envisageable, les collerettes sont assemblées de façon amovible, par exemple par boulonnage ou par un système d'étrier de serrage. On note que, tel que cela apparaît sur les figures 2 et 3, le deuxième conduit constituant une chambre annulaire fermée à chaque extrémité de la 25 portion, peut être refermé sur le premier conduit. Selon une autre variante envisageable, le conduit peut se prolonger jusqu'à la collerette qui constitue alors, sur une portion annulaire, un obturateur de la chambre délimitée par le deuxième conduit. Bien entendu, chacune des collerettes présente un orifice central au 30 travers duquel débouche le premier conduit. Selon un mode de réalisation des portions hélicoïdales qui viennent d'être décrites, un échangeur thermique tel qu'illustré par la figure 1 peut 3030027 7 donc être obtenu par l'assemblage d'une succession de portions hélicoïdales, reliées deux à deux par leurs collerettes respectives. Dans le cas d'une application au traitement thermique d'un produit alimentaire, les conduits concentriques de l'échangeur, en particulier le 5 premier conduit, sont réalisés en acier inoxydable de qualité alimentaire. Bien entendu, d'autres matériaux peuvent être mis en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, la rigidité de l'échangeur hélicoïdale et la tenue mécanique de celui-ci peuvent être optimisées par la mise en oeuvre d'un 10 ensemble support, comprenant, selon le mode de réalisation particulier illustré par la figure 1, des moyens de bridage 6 constitués par un ensemble de trois mats sur lesquels chacune des portions hélicoïdales est bridée. A titre indicatif, on peut utiliser un échangeur thermique selon 15 l'invention pour effectuer un traitement de pasteurisation. Par exemple, pour pasteuriser 300 kg de jus de pommes, on utilisera un échangeur à dix portions hélicoïdales, chacune s'étendant sur une spire. Les portions hélicoïdales présentent par exemple les dimensions suivantes : diamètres du premier conduit (écoulement du jus de pomme), 20 int./ext.: 18/20 mm ; diamètres du deuxième conduit (écoulement du fluide caloporteur), int./ext.: 18/20 mm ; - longueur des portions hélicoïdales : 800 mm. Le chauffage est effectué avec un fluide à 72°qui circule à 0,7 m/s. La 25 circulation du fluide de chauffage est effectuée à contre-courant de l'écoulement de jus de pomme. Le chauffage est effectué sur cinq portions hélicoïdales, tandis que les cinq portions hélicoïdales suivantes sont consacrées à une phase de chambrage, de préférence pendant 20 secondes à une vitesse de 0,54 m/s. 30 REVENDICATIONS1. Echangeur thermique hélicoïdal du type comprenant deux conduits concentriques, dont un premier conduit (1) pour l'écoulement d'un fluide à traiter thermiquement et un deuxième conduit (2) pour le passage d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il est divisé en au moins deux portions hélicoïdales (3) dans chacune desquelles le premier conduit (1) débouche à chaque extrémité de la portion, tandis que le deuxième conduit (2) constitue une chambre fermée aux extrémités de la portion hélicoïdale (3) et présente un piquage (20) à chaque extrémité de la portion hélicoïdale (3). 2. Echangeur thermique hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième conduit (2) constitue une chambre annulaire s'étendant autour du premier conduit (1). 3. Echangeur thermique hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque portion hélicoïdale (3) présente à chacune de ses extrémités une collerette d'assemblage (31). 4. Echangeur thermique hélicoïdal selon la revendication 3, caractérisé en ce que les portions hélicoïdales (3) sont solidarisées deux à deux par soudage des collerettes d'assemblage (31). 5. Echangeur thermique hélicoïdal selon la revendication 3, caractérisé en ce que les portions hélicoïdales (3) sont solidarisées deux à deux de façon amovible. 3030027 9 6. Echangeur thermique hélicoïdal selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque portion hélicoïdale (3) s'étend sur une longueur correspondant à une spire hélicoïdale. 5 7. Echangeur thermique hélicoïdal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'échangeur thermique comprend des moyens de bridage (6) de chaque portion hélicoïdale (3).