Brevet FR3026165A1 — publié le 20160325

DISPOSITIF DE TRAITEMENT THERMIQUE D'UN FLUIDE A CONSOMMATION ENERGETIQUE REDUITE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un dispositif de traitement thermique d'un fluide, le traitement thermique étant destiné à imposer à un fluide une variation de température contrôlée à consommation énergétique réduite. Dans de nombreux domaines industriels, on souhaite appliquer à des fluides des excursions de température selon une séquence contrôlée. Par exemple, dans l'industrie agroalimentaire, la pasteurisation du lait se fait en appliquant une élévation de la température pendant un temps donné. Ce temps ne doit pas être inférieur à une durée donnée pour être sûr que la pasteurisation est complète et ne doit pas dépassé une durée donnée pour éviter de modifier la composition du lait. Dans l'industrie chimique, de telles excursions sont appliquées par exemple pour provoquer une ou des réactions chimiques. Or les dispositifs de l'état de la technique appliquant des excursions de température ont une puissance installée et une consommation d'énergie importantes par rapport aux besoins. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de la présente invention est donc d'offrir un dispositif de traitement thermique apte à appliquer des excursions de température contrôlées à un fluide tout en ayant une consommation énergétique réduite. Le but de la présente invention est atteint par un dispositif comportant un premier canal et un deuxième canal en contact thermique et des moyens pour appliquer un flux thermique au fluide s'écoulant dans chaque canal; le fluide auquel on souhait appliquer une excursion de température circulant dans les deux canaux à contre- courant. Grâce à l'invention, il est possible d'atteindre des niveaux de température très élevés ou très bas et d'avoir une consommation énergétique réduite. Les inventeurs ont pensé à utiliser un échangeur thermique à contre-courant pour faire circuler un même fluide et à le rendre actif en prévoyant des moyens pour appliquer un flux thermique. Ils ont obtenu une variation de la température importante du fluide dans chaque canal avec une consommation énergétique réduite. Alors que dans un échangeur à contre-courant de l'état de la technique, un fluide à chauffer ou à refroidir circule dans un canal et un caloporteur apportant ou extrayant de la chaleur respectivement, circule dans l'autre canal. Selon l'invention, les flux thermiques appliqués au fluide dans les deux canaux se cumulent pour obtenir une hausse temporaire de la température de chacun des fluides. De manière avantageuse, l'échangeur est un échangeur à plaque, les deux canaux sont délimités chacun par deux plaques dont une plaque commune aux deux canaux à travers laquelle les échanges thermiques entre les fluides ont lieu et les deux autres parois sont en contact avec des moyens de chauffage. La présente invention a alors pour objet un dispositif de traitement thermique d'un fluide, comportant : - au moins un premier canal comprenant une première paroi, une deuxième paroi, une entrée d'alimentation en fluide et une sortie d'évacuation du fluide, - au moins un deuxième canal comprenant une première paroi, une deuxième paroi, une entrée d'alimentation en fluide et une sortie d'évacuation du fluide, la première paroi du premier canal et la première paroi du deuxième canal étant en contact thermique, le premier canal et le deuxième canal étant disposés de sorte que le fluide circulant dans le premier canal circule à contre-courant du fluide circulant dans le deuxième canal, - des premiers moyens aptes à appliquer au moins un flux thermique au fluide s'écoulant dans le premier canal, - des deuxièmes moyens aptes à appliquer au moins un flux thermique au fluide s'écoulant dans le deuxième canal, - des moyens d'alimentation des premier et deuxième canaux avec le même fluide par les entrées d'alimentation. De manière avantageuse, les premiers et deuxièmes moyens aptes à appliquer un flux thermique sont aptes à faire varier le flux thermique appliqué au fluide le long de la direction d'écoulement du fluide dans chacun des premier et deuxième canaux. Dans un exemple de réalisation, les premiers et deuxièmes moyens aptes à appliquer un flux thermique sont des moyens de chauffage. De préférence le dispositif étant isolé thermiquement de l'extérieur. Les moyens d'alimentation des premier et deuxième canaux avec le même fluide alimentent avantageusement les premier et deuxième canaux avec le même débit et/ou alimentent avantageusement les premier et deuxième canaux avec un même fluide à la même température. Dans un exemple de réalisation, la sortie d'évacuation du premier canal peut être connectée à l'entrée d'alimentation du deuxième canal. Les parois sont par exemple formées par des plaques, les première et deuxième parois des premier et deuxième canaux étant par exemple disposées sensiblement parallèlement les unes par rapport aux autres. Les deux deuxièmes parois sont avantageusement formées par une même plaque. Les première et deuxième plaques de chaque canal peuvent être brasées ou soudées pour délimiter des canaux étanches, ou un joint peut être interposé entre les première et deuxième plaques de chaque canal pour délimiter des canaux étanches. La présente invention a également pour objet une installation de traitement thermique d'un fluide comportant au moins deux dispositifs de traitement thermique selon la présente invention, les dispositifs étant isolés thermiquement les uns des autres. Les canaux peuvent être délimités de manière étanche par des plaques superposées. La présente invention a également pour objet un procédé de traitement thermique de sorte à appliquer au moins une excursion de température à un fluide comportant les étapes : - faire circuler à contre courant dans deux canaux en contact thermique le même fluide, - appliquer à chaque canal distinctement un flux thermique. Les deux canaux sont avantageusement alimentés par le même fluide avec le même débit et/ou par le même fluide à la même température Dans un exemple de réalisation, le fluide sortant d'un des canaux circule dans l'autre des canaux. Une variation des flux thermiques peut être appliquée à chaque canal. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple de réalisation du dispositif de traitement thermique, - la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique d'une variante du dispositif de traitement thermique de la figure 1, - les figures 3A et 3B sont des représentations graphiques de la variation de température du fluide le long des deux canaux du dispositif selon l'invention pour des dispositifs ayant un coefficient d'échange thermique égale à h = 1 kW/m2/K et h = 10 kW/m2/K respectivement, - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une installation d'échange thermique selon un exemple de réalisation, - la figures 5 est une représentation graphique de la variation de température du fluide le long des deux canaux d'un échangeur thermique à contre-courant de l'état de la technique, l'échangeur ayant un coefficient d'échange thermique égale à h = 0,001 kW/m2/K. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la présente demande, on entend par "excursion de température" une augmentation ou une diminution de température sur un temps donné. Dans la description qui va suivre le dispositif selon l'invention va être décrit principalement dans une application dans laquelle le fluide est chauffé. Mais le dispositif appliquant un refroidissement du fluide ne sort pas du cadre de la présente invention. Sur la figure 1, on peut voir une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif de traitement thermique d'un fluide comportant un premier canal 2 délimité par deux parois longitudinales 4, 6 sous forme de plaques reliées l'une à l'autre de manière étanche par leurs bords latéraux, et un deuxième canal 8 délimité par deux parois longitudinales 4, 12 sous forme de plaques reliées l'une à l'autre de manière étanche par leurs bords latéraux, La plaque 4 commune aux deux canaux permet un échange thermique entre les fluides circulant dans chacun des canaux 2, 8. Le fluide peut être un liquide, un mélange de liquide, du gaz ou un mélange gazeux. Le dispositif de traitement thermique comporte également des moyens 14 aptes à appliquer un flux thermique destiné à chauffer le fluide circulant dans le premier canal 2, les moyens 14 sont montés sur ou dans la face extérieure de la paroi 6. Le dispositif de traitement thermique comporte également des moyens 16 aptes à appliquer un flux thermique pour chauffer le fluide circulant dans le deuxième canal 8, les moyens 16 sont montés sur ou dans la face extérieure de la paroi 12. De préférence, un isolant thermique (non représenté) est prévu autour des moyens appliquant le flux thermique pour maîtriser la direction de flux de chaleur vers les canaux 2, 8. Par exemple, l'isolant thermique peut être un matériau plastique, une céramique comme la zircone, le verre..., un matériau minéral. Ces isolants thermiques sont en général également des isolants électriques. Dans cet exemple l'isolant thermique est également sous forme de plaque. Le premier canal comporte une extrémité d'alimentation 2.1 et une extrémité d'évacuation 2.2. Le deuxième canal 8 comporte une extrémité d'alimentation 8.1 et une extrémité d'évacuation 8.2. L'extrémité d'alimentation 2.1 du premier canal 2 et l'extrémité d'alimentation 8.1 du deuxième canal 8 sont telles que le flux de fluide dans le premier canal et le flux de fluide dans le deuxième canal ont des sens opposés. Les fluides circulent donc à contre-courant. La circulation du fluide dans les deux canaux est par exemple assurée par une pompe. En variante, les deux canaux pourraient être délimités chacun par deux plaques, deux des plaques étant en contact thermique. Par ailleurs, de préférence le fluide auquel on souhaite appliquer une excursion de température circule dans le premier 2 et le deuxième 8 canal avec le même débit. De préférence, les plaques présentent une épaisseur faible pour permettre les échanges thermiques. Les matériaux des plaques sont alors choisis de sorte qu'ils offrent une bonne tenue mécanique, une bonne résistance à la température, à la corrosion. Les plaques sont par exemple en métal, tel que le cuivre ou l'aluminium, en alliage métallique, en matériau plastique, en matériau céramique. Le matériau présente avantageusement une bonne résistance à la corrosion, tel que l'acier inoxydable ou un alliage cuivre-nickel. Les moyens pour appliquer le flux thermique au fluide sont par exemple des moyens de chauffage électrique par effet Joule, par exemple type fil chauffant. D'autres moyens de chauffage sont envisageables par exemple par induction ou des moyens mettant en oeuvre un caloporteur. De manière préférée le dispositif présente la structure d'un échangeur à plaque. Les plaques peuvent être brasées ou soudées entre elles. Selon un autre exemple, un joint périphérique est prévu entre chaque paire de plaques. Les plaques peuvent être avantageusement ondulées pour améliorer les échanges thermiques. Le fonctionnement type du dispositif de traitement thermique va maintenant être décrit. Les deux canaux sont alimentés avec le fluide à chauffer, de préférence avec le même débit. Pour les besoins de la description, le fluide circulant dans le premier canal 2 est désigné F1 et le fluide circulant dans le deuxième canal 8 est désigné F2, mais il s'agit du même fluide. Les fluides F1 et F2 à l'entrée de chacun des canaux sont à la même température. Dans un exemple de fonctionnement, les fluides F1 et F2 sont par exemple pompés simultanément dans le même réservoir de fluide à chauffer et évacués simultanément dans un réservoir de fluide chauffé. Les deux réservoirs peuvent être confondus, par exemple pour appliquer plusieurs excursions au fluide. Les moyens de chauffage 14, 16 sont activés de sorte à injecter des puissances thermiques identiques dans chacun des fluides F1, F2 s'écoulant dans chaque canal 2, 8. Pour cela on impose un flux thermique à travers les parois 4, 12. D'une part en sortie 2.2, 8.2 des canaux, les fluides F1 et F2 ont une température de sortie correspondant au bilan thermique, la température variant axialement de manière linéaire. D'autre part, du fait des échanges thermiques entre les fluides à travers la plaque 4, la température de chacun des fluides varie de manière parabolique en passant par un maximum qui survient dans la deuxième moitié des canaux. En l'absence d'échange thermique entre les canaux, la température du fluide dans chacun des canaux varie de manière linéaire. A type de fluide et débit imposés, la température maximale de l'excursion dépend des échanges thermiques entre les deux canaux et de la puissance injectée et est d'autant plus élevée que les échanges sont importants et que la puissance injectée est importante. Il est possible de déterminer les variations de température dans chacun des canaux. Après calcul, on obtient ; La température Tp(z) dans le premier canal varie suivant la relation Tp(z) = az(1+ 13(1_, - z) + Te. La température Ts(z) dans le deuxième canal varie suivant la relation Ts(z) = z)(1 +13z) + Te. avec a = wl(qmxCp) 13 = h x P (qm x Cp). Avec Lc la longueur des canaux le long de laquelle les échanges thermiques on lieu, z la position longitudinale dans le canal suivant la représentation de la figure 1, z=0 correspondant à l'entrée du premier canal 2. h le coefficient d'échange thermique local sur un périmètre d'échange P, qm le débit de fluide, Cp la capacité thermique du fluide, Te la température d'entrée, wl la puissance linéique imposée. On constate que la variation de température pour chacun des fluides Fi, F2 suit une variation parabolique. Sur les figures 3A et 3B, on peut une représentation graphique des variations des températures Tp(z) et Ts(z) des fluides Fi et F2 respectivement en fonction de la position axiale z dans les canaux dans le dispositif de traitement thermique selon l'invention de la figure 1 en prenant: Lc = 10 m, P = lm, qm = 0.5 kg/s, Te = 30°C, wl = 1 kW/m et Cp = 4000 J/kg/K, et h = 1 kW/m2/K (figure 3A) et h = 10 kW/m2/K (figure 3B). Sur la figure 5, on peut voir une représentation graphique des variations des températures T'p(z) et T'5(z) des fluides Fi et F2 respectivement en fonction de la position axiale z dans les canaux dans un échangeur thermique à contre-courant de l'étant de la technique en prenant Lc = 10 m, P = lm, qm = 0.5 kg/s, Te = 30°C, wl = 1 kW/m et Cp = 4000 J/kg/K, et h = 0.001 kW/m2/K. Sur les figures 3A et 3B, on constate l'apparition du maximum de température aux mêmes positions axiales dans les deux canaux. L'excursion de température est d'environ 60 K dans le dispositif dont les variations de température sont représentées sur la figure 3A et d'environ 8°C dans le dispositif dont les variations de température sont représentées sur la figure 3B. De plus, les températures de sortie Tp(Lc) et Ts(0) sont supérieures aux températures d'entrée Tp(0) et Ts(Lc) respectivement. Dans un échangeur à contre-courant sans injection de puissance, on constate sur la figure 5 qu'on atteint en sortie sensiblement les mêmes températures mais il n'y a pas d'excursion de température Comme indiqué ci-dessus, on peut envisager de faire subir plusieurs excursions de température au fluide, les excursions étant identiques ou différentes. L'efficacité du dispositif peut être définie par le rapport de l'accroissement effectif de température du liquide à celui du à la puissance injectée. Ce rapport s'exprime par ri= (qmxCp + hxS)2/(4xqmxCpxhxS) Avec h : coefficient d'échange entre les canaux 2 et 8, S (=Lc *P) : surface d'échange entre les canaux 2 et 8, qm débit massique dans chaque canal, Cp capacité calorifique du fluide. i tend vers 1/2+hxS/(4xqmxCp) lorsque le produit hxS est grand devant qmxCp. Le terme hxS/ (qmxCp) étant un coefficient d'efficience de l'échange entre les canaux 2 et 8 en terme d'accroissement axial de température que l'on note Cet. On peut alors écrire que i tend vers 1/2+1/4xCet. A titre d'exemple, pour des canaux 2 et 8 de lm de large (P=1m) et 10 m de long (Lc=10m) avec un débit qm de 0,5 kg/s d'eau liquide, un coefficient d'échange h de 1.104 W/m2/K et une puissance linéique 1 kW/m, l'accroissement effectif de température du liquide est de 60 K (figure 3B) alors qu'il ne serait que de 5 K par la seule puissance injectée (figure 5), soit une efficacité de 12. Dans le cas où le dispositif appliquerait une excursion de température négative, i.e. un pic de refroidissement, les moyens de chauffage seraient remplacés par des moyens de refroidissement, par exemple formés par des circulations de caloporteur froid ou alors par des cellules à effet Peltier. En variante, l'extrémité d'évacuation du premier canal est connectée à l'extrémité du deuxième canal, ainsi le fluide fait un aller et retour dans le dispositif. Dans cette variante, la température maximale du pic d'excursion apparaît au bout du chacun de canaux. Sur la figure 2, on peut voir une variante de réalisation dans laquelle le dispositif présente une section transversale circulaire. Elle présente un premier canal central 302, entouré par un deuxième canal 308 annulaire. Les moyens de chauffage du premier canal sont par exemple formés pas un fil suspendu dans le premier canal et les moyens de chauffage 316 sont en contact avec la paroi extérieure du deuxième canal 308. Les sections de passage du premier et du deuxième canal sont déterminées de préférence pour que les canaux aient les mêmes coefficients d'échange. Dans les exemples décrits les canaux sont rectilignes mais il sera compris que toute forme de canal est envisageable telle que par exemple une forme en spirale. Sur la figure 4, on peut voir une installation comportant une pluralité de dispositifs d'échange thermique selon l'invention, les dispositifs étant superposés. L'installation comporte une pluralité de canaux 2,8, 102, 108, 202, 208... délimités par des plaques superposées. La pluralité de canaux est répartie par paire. Chaque paire est isolée thermiquement des autres paires par un isolant thermique 20, 120, 220 et chaque canal de chaque paire comporte un moyen de chauffage 14, 16, 114, 116, 214, 216. Par exemple tous les canaux 2,8, 102, 108, 202, 208 sont alimentés en parallèle à partir du même fluide. L'isolant thermique entre les paires de plaques peut être également un isolant électrique suivant le type de moyens pour appliquer le flux thermique mis en oeuvre. En variante, on peut envisager de connecter les canaux par exemple 2 et 102, l'installation a alors le comportement de deux dispositifs en série. On peut envisager de réaliser une pluralité de canaux les uns dans les autres sur la base de la variante de la figure 2, des paires de canaux étant isolés thermiquement les unes des autres de manière similaire à la variante de la figure 2. La présente invention outre sa réalisation très simple présente une grande adaptabilité. En effet, il suffit de modifier la puissance électrique ou le débit pour modifier l'excursion de température. En variante, il peut être prévu de faire varier axialement la puissance injectée pour régler la cinétique d'accroissement de température du fluide. En variante encore, il peut être prévu d'annuler l'échange entre canaux, par exemple, pour obtenir un palier de température. L'échange thermique peut être interrompu par une zone de paroi isolante ou, en séparant les fluides comme en sortie d'échangeur. Si les débits dans les deux canaux sont différents, les évolutions de température sont différentes, dans la limite des écarts entre canaux. La présente invention s'applique à tous les domaines techniques dans lesquels on souhaite appliquer à un fluide un traitement thermique sous la forme d'une excursion de température présentant un maximum ou un minimum de température, par exemple dans l'industrie agroalimentaire et l'industrie chimique.15 REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement thermique d'un fluide, comportant : - au moins un premier canal (2) comprenant une première paroi, une deuxième paroi, une entrée d'alimentation (2.1) en fluide et une sortie d'évacuation (2.2) du fluide, - au moins un deuxième canal (8) comprenant une première paroi, une deuxième paroi, une entrée d'alimentation en fluide (8.1) et une sortie d'évacuation du fluide (8.2) , la première paroi du premier canal et la première paroi du deuxième canal étant en contact thermique, le premier canal et le deuxième canal étant disposés de sorte que le fluide circulant dans le premier canal circule à contre-courant du fluide circulant dans le deuxième canal, - des premiers moyens (14) aptes à appliquer au moins un flux thermique au fluide s'écoulant dans le premier canal, - des deuxièmes moyens (16) aptes à appliquer au moins un flux thermique au fluide s'écoulant dans le deuxième canal, - des moyens d'alimentation des premier et deuxième canaux avec le même fluide par les entrées d'alimentation. 2. Dispositif de traitement thermique selon la revendication 1, dans lequel les premiers (14) et deuxièmes (16) moyens aptes à appliquer un flux thermique sont aptes à faire varier le flux thermique appliqué au fluide le long de la direction d'écoulement du fluide dans chacun des premier (2) et deuxième (8) canaux. 3. Dispositif de traitement thermique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premiers (14) et deuxièmes (16) moyens aptes à appliquer un flux thermique sont des moyens de chauffage. 4. Dispositif de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'alimentation des premier et deuxième canaux avec le même fluide sont aptes à alimenter les premier (2) et deuxième (8) canaux avec le même débit. 5. Dispositif de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens d'alimentation sont aptes à alimenter simultanément les premier (2) et deuxième (8) canaux avec un même fluide à la même température. 6. Dispositif de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la sortie d'évacuation (2.2) du premier canal (2) est connectée à l'entrée d'alimentation (8.1) du deuxième canal (8). 7. Dispositif de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les parois sont formées par des plaques, les deux premières parois des premier et deuxième canaux étant disposées sensiblement parallèlement les unes par rapport aux autres et les deux deuxièmes parois étant formées par une même plaque. 8. Installation de traitement thermique d'un fluide comportant au moins deux dispositifs de traitement thermique selon la revendication 1 à 7, les dispositifs étant isolés thermiquement les uns des autres. 9. Procédé de traitement thermique de sorte à appliquer au moins une excursion de température à un fluide comportant les étapes : - faire circuler à contre courant dans deux canaux en contact thermique le même fluide, - appliquer à chaque canal distinctement un flux thermique. 10. Procédé de traitement thermique selon la revendication 9, dans lequel les deux canaux sont alimentés par le même fluide avec le même débit. 11. Procédé de traitement thermique selon la revendication 9 ou 10, dans lequel les deux canaux sont alimentés par le même fluide à la même température. 12. Procédé de traitement thermique selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le fluide sortant d'un des canaux circule dans l'autre des canaux. 13. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel une variation des flux thermiques est appliquée le long des canaux.