FR3026165A1 - DEVICE FOR THERMALLY TREATING A FLUID WITH REDUCED ENERGY CONSUMPTION - Google Patents
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Abstract
Dispositif de traitement thermique d'un fluide comportant : - 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, - 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 moyens (14) de chauffage du fluide s'écoulant dans le premier canal, - des moyens (16) de chauffage du 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.Device for heat treatment of a fluid comprising: - a first channel (2) comprising a first wall, a second wall, a fluid supply inlet (2.1) and a fluid outlet (2.2), - a second channel (8) comprising a first wall, a second wall, a fluid supply inlet (8.1) and a fluid discharge outlet (8.2), the first wall of the first channel and the first wall of the second channel being in thermal contact, the first channel and the second channel being arranged so that the fluid flowing in the first channel circulates against the flow of the fluid flowing in the second channel; means (14) for heating the fluid flowing in the first channel; means (16) for heating the fluid flowing in the second channel; means for supplying the first and second channels with the same fluid via the supply inlets.
Description
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.The present invention relates to a device for the thermal treatment of a fluid, the heat treatment being intended to impose on a fluid a variation of the temperature of a fluid. controlled temperature with reduced energy consumption. In many industrial fields, it is desired to apply temperature excursions to fluids in a controlled sequence. For example, in the agri-food industry, pasteurization of milk is done by applying a rise in temperature for a given time. This time should not be less than a given time to be sure that the pasteurization is complete and should not exceed a given time to avoid changing the composition of the milk. In the chemical industry, such excursions are applied for example to cause one or more chemical reactions. Or devices of the prior art applying temperature excursions have a large installed power and energy consumption compared to the needs. DISCLOSURE OF THE INVENTION The object of the present invention is therefore to provide a heat treatment device capable of applying controlled temperature excursions to a fluid while having a reduced energy consumption. The object of the present invention is achieved by a device comprising a first channel and a second channel in thermal contact and means for applying a heat flux to the fluid flowing in each channel; the fluid to which it is desired to apply a temperature excursion flowing in the two channels against the current.
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.Thanks to the invention, it is possible to achieve very high or very low temperature levels and to have a reduced energy consumption. The inventors have thought to use a countercurrent heat exchanger to circulate the same fluid and make it active by providing means for applying a heat flow. They obtained a variation of the important temperature of the fluid in each channel with a reduced energy consumption. While in a countercurrent exchanger of the state of the art, a fluid to be heated or cooled circulates in a channel and a coolant providing or extracting heat respectively, circulates in the other channel. According to the invention, the thermal flows applied to the fluid in the two channels are cumulative to obtain a temporary increase in the temperature of each of the fluids. Advantageously, the exchanger is a plate exchanger, the two channels are each delimited by two plates including a plate common to the two channels through which the heat exchange between the fluids take place and the other two walls are in contact with heating means. The subject of the present invention is therefore a device for heat treatment of a fluid, comprising: at least one first channel comprising a first wall, a second wall, a fluid supply inlet and a fluid discharge outlet, at least one second channel comprising a first wall, a second wall, a fluid supply inlet and a fluid discharge outlet, the first wall of the first channel and the first wall of the second channel being in thermal contact; first channel and the second channel being arranged so that the fluid flowing in the first channel circulates against the current of the fluid flowing in the second channel, - first means adapted to apply at least one heat flow to the fluid flowing in the first channel; second means able to apply at least one heat flow to the fluid flowing in the second channel; means for supplying the first and second channels; with the same fluid through the feed inlets. Advantageously, the first and second means capable of applying a heat flux are able to vary the heat flux applied to the fluid along the direction of flow of the fluid in each of the first and second channels. In an exemplary embodiment, the first and second means capable of applying a heat flux are heating means. Preferably the device is thermally insulated from the outside.
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.The supply means of the first and second channels with the same fluid advantageously feed the first and second channels with the same flow rate and / or advantageously feed the first and second channels with the same fluid at the same temperature. In an exemplary embodiment, the exhaust outlet of the first channel can be connected to the supply input of the second channel. The walls are for example formed by plates, the first and second walls of the first and second channels being for example arranged substantially parallel to each other. The two second walls are advantageously formed by the same plate.
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.The first and second plates of each channel may be brazed or welded to define sealed channels, or a seal may be interposed between the first and second plates of each channel to define sealed channels. The present invention also relates to a heat treatment plant of a fluid comprising at least two heat treatment devices according to the present invention, the devices being thermally insulated from each other. The channels can be tightly delimited by superimposed plates.
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.The present invention also relates to a heat treatment process so as to apply at least one temperature excursion to a fluid comprising the steps of: - circulating against the current in two channels in thermal contact the same fluid, - apply to each channel distinctly a heat flow. The two channels are advantageously supplied by the same fluid with the same flow rate and / or by the same fluid at the same temperature. In one exemplary embodiment, the fluid leaving one of the channels flows in the other of the channels. A variation of the thermal flows can be applied to each channel. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be better understood on the basis of the following description and the attached drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of an exemplary embodiment of the heat treatment device; FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a variant of the heat treatment device of FIG. 1; FIGS. 3A and 3B are graphical representations of the variation of temperature of the fluid along the two channels of the device according to FIG. for devices having a heat exchange coefficient equal to h = 1 kW / m2 / K and h = 10 kW / m2 / K respectively; - Fig. 4 is a cross-sectional view of an exchange facility 5 is a graphical representation of the temperature variation of the fluid along the two channels of a countercurrent heat exchanger of the state of the art, exchanged having a heat exchange coefficient equal to 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.DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS In the present application, the term "temperature excursion" means an increase or decrease in temperature over a given time. In the following description the device according to the invention will be described mainly in an application in which the fluid is heated. But the device applying fluid cooling is not beyond the scope of the present invention. FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device for heat treatment of a fluid comprising a first channel 2 delimited by two longitudinal walls 4, 6 in the form of plates connected to each other. the other in a sealed manner by their side edges, and a second channel 8 defined by two longitudinal walls 4, 12 in the form of plates connected to each other in a sealed manner by their lateral edges, the plate 4 common to both channels allows a heat exchange between the fluids flowing in each of the channels 2, 8. The fluid may be a liquid, a mixture of liquid, gas or a gas mixture. The heat treatment device also comprises means 14 capable of applying a heat flux for heating the fluid flowing in the first channel 2, the means 14 are mounted on or in the outer face of the wall 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.The thermal treatment device also comprises means 16 capable of applying a heat flux to heat the fluid flowing in the second channel 8, the means 16 are mounted on or in the outer face of the wall 12. Preferably, a thermal insulator ( not shown) is provided around the means applying the heat flow to control the direction of heat flow to the channels 2, 8. For example, the thermal insulation may be a plastic material, a ceramic such as zirconia, glass .. ., a mineral material. These thermal insulators are generally also electrical insulators. In this example the thermal insulation is also in the form of a plate.
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.The first channel has a feed end 2.1 and a discharge end 2.2. The second channel 8 has a feed end 8.1 and a discharge end 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.The supply end 2.1 of the first channel 2 and the supply end 8.1 of the second channel 8 are such that the flow of fluid in the first channel and the flow of fluid in the second channel have opposite directions. The fluids circulate against the current. The circulation of the fluid in the two channels is for example provided by a pump.
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.Alternatively, the two channels could be delimited each by two plates, two of the plates being in thermal contact. Furthermore, preferably the fluid to which it is desired to apply a temperature excursion flows in the first 2 and second 8 channel with the same flow.
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.Preferably, the plates have a small thickness to allow heat exchange. The materials of the plates are then chosen so that they offer good mechanical strength, good resistance to temperature, corrosion. The plates are for example metal, such as copper or aluminum, metal alloy, plastic material, ceramic material.
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.The material advantageously has good corrosion resistance, such as stainless steel or a copper-nickel alloy. The means for applying the heat flux to the fluid are, for example, electric heating means by Joule effect, for example heating wire type. Other heating means can be envisaged for example by induction or means using a coolant. Preferably the device has the structure of a plate heat exchanger. The plates can be brazed or welded together. In another example, a peripheral seal is provided between each pair of plates. The plates may advantageously be corrugated to improve heat exchange.
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.The typical operation of the heat treatment device will now be described. The two channels are fed with the fluid to be heated, preferably with the same flow rate.
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.For the purposes of the description, the fluid flowing in the first channel 2 is designated F1 and the fluid flowing in the second channel 8 is designated F2, but it is the same fluid. Fluid F1 and F2 at the inlet of each of the channels are at the same temperature. In an example of operation, the fluids F1 and F2 are for example pumped simultaneously into the same reservoir of fluid to be heated and discharged simultaneously into a heated fluid reservoir. The two reservoirs can be confused, for example to apply several excursions to the fluid. The heating means 14, 16 are activated so as to inject identical thermal powers in each of the fluids F1, F2 flowing in each channel 2, 8. For this, a heat flow is imposed through the walls 4, 12. D On the output side 2.2, 8.2 of the channels, the fluids F1 and F2 have an outlet temperature corresponding to the thermal balance, the temperature varying axially in a linear manner. On the other hand, because of the heat exchange between the fluids through the plate 4, the temperature of each of the fluids varies parabolically through a maximum that occurs in the second half of the channels. In the absence of heat exchange between the channels, the temperature of the fluid in each of the channels varies linearly. With the type of fluid and flow imposed, the maximum temperature of the excursion depends on the heat exchange between the two channels and the power injected and is all the higher as the exchanges are important and the power injected is important. It is possible to determine the temperature variations in each of the channels. After calculation, we obtain; The temperature Tp (z) in the first channel varies according to the 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).The temperature Ts (z) in the second channel varies according to the relation Ts (z) = z) (1 + 13z) + Te. with a = w1 (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.With Lc the length of the channels along which the heat exchange takes place, z the longitudinal position in the channel according to the representation of Figure 1, z = 0 corresponding to the input of the first channel 2. h the exchange coefficient local thermal on an exchange perimeter P, qm the fluid flow, Cp the thermal capacity of the fluid, Te the inlet temperature, wl the imposed linear power. It can be seen that the temperature variation for each of the fluids F 1, F 2 follows a parabolic variation. In FIGS. 3A and 3B, a graphical representation of the variations of the temperatures Tp (z) and Ts (z) of the fluids Fi and F2 respectively as a function of the axial position z in the channels in the heat treatment device according to FIG. invention of Figure 1 taking: Lc = 10 m, P = 1m, qm = 0.5 kg / s, Te = 30 ° C, wl = 1 kW / m and Cp = 4000 J / kg / K, and h = 1 kW / m2 / K (FIG. 3A) and h = 10 kW / m2 / K (FIG. 3B). In FIG. 5, a graphical representation of the variations of the temperatures T'p (z) and T'5 (z) of the fluids Fi and F2 respectively as a function of the axial position z in the channels in a heat exchanger can be seen in FIG. the current being Lc = 10 m, P = 1m, qm = 0.5 kg / s, Te = 30 ° C, w1 = 1 kW / m and Cp = 4000 J / kg / K, and h = 0.001 kW / m2 / K. FIGS. 3A and 3B show the appearance of the maximum temperature at the same axial positions in the two channels. The temperature excursion is about 60 K in the device whose temperature variations are shown in Figure 3A and about 8 ° C in the device whose temperature changes are shown in Figure 3B. In addition, the output temperatures Tp (Lc) and Ts (0) are higher than the input temperatures Tp (0) and Ts (Lc) respectively. In a countercurrent exchanger without power injection, it can be seen in FIG. 5 that the same temperatures are reached at the output, but there is no temperature excursion. As indicated above, it is possible to envisage to make several fluid temperature excursions, the excursions being identical or different. The effectiveness of the device can be defined by the ratio of the effective increase in temperature of the liquid to that of the power injected.
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.This ratio is expressed by ri = (qmxCp + hxS) 2 / (4xqmxCpxhxS) With h: exchange coefficient between channels 2 and 8, S (= Lc * P): exchange surface between channels 2 and 8 , qm mass flow rate in each channel, Cp heat capacity of the fluid. i tends to 1/2 + hxS / (4xqmxCp) when the product hxS is large in front of qmxCp. The term hxS / (qmxCp) is a coefficient of efficiency of the exchange between the channels 2 and 8 in terms of axial temperature increase that is noted Cet. We can then write that i tends to 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.For example, for channels 2 and 8 of 1m wide (P = 1m) and 10m long (Lc = 10m) with a flow rate qm of 0.5 kg / s of liquid water, a coefficient of exchange h of 1.104 W / m2 / K and a linear power of 1 kW / m, the actual increase in temperature of the liquid is 60 K (Figure 3B) whereas it would be only 5 K by the only power injected (Figure 5), an efficiency of 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.In the case where the device would apply a negative temperature excursion, i.e. a cooling peak, the heating means would be replaced by cooling means, for example formed by cold coolant circulations or by Peltier cells. Alternatively, the discharge end of the first channel is connected to the end of the second channel, so the fluid goes back and forth in the device. In this variant, the maximum temperature of the excursion peak appears at the end of each of the channels. In Figure 2, we can see an alternative embodiment in which the device has a circular cross section. It has a first central channel 302, surrounded by a second annular channel 308. The heating means of the first channel are for example formed by a wire suspended in the first channel and the heating means 316 are in contact with the outer wall of the second channel 308. The passage sections of the first and second channels are determined from preferably so that the channels have the same exchange coefficients.
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.In the examples described the channels are rectilinear but it will be understood that any channel shape is conceivable such as for example a spiral shape. In Figure 4, we can see an installation comprising a plurality of heat exchange devices according to the invention, the devices being superimposed. The installation comprises a plurality of channels 2,8, 102, 108, 202, 208 ... delimited by superposed plates. The plurality of channels is distributed in pairs. Each pair is thermally insulated from the other pairs by a thermal insulator 20, 120, 220 and each channel of each pair has a heating means 14, 16, 114, 116, 214, 216. For example all the channels 2.8, 102 , 108, 202, 208 are supplied in parallel from the same fluid.
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.The thermal insulation between the pairs of plates can also be an electrical insulator according to the type of means for applying the heat flow implemented. Alternatively, it is possible to connect the channels for example 2 and 102, the installation then has the behavior of two devices in series.
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.It is conceivable to make a plurality of channels in each other on the basis of the variant of FIG. 2, channel pairs being thermally insulated from each other in a manner similar to the variant of FIG. besides its very simple realization presents a great adaptability. Indeed, it is enough to modify the electric power or the flow to modify the temperature excursion.
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.15Alternatively, it may be provided to vary axially the injected power to adjust the kinetics of temperature increase of the fluid. In another variant, it may be provided to cancel the exchange between channels, for example, to obtain a temperature plateau. The heat exchange can be interrupted by an insulating wall zone or by separating the fluids as exchanger outlet. If the flow rates in the two channels are different, the temperature changes are different, within the limits of the differences between channels. The present invention applies to all technical fields in which it is desired to apply a heat treatment to a fluid in the form of a temperature excursion having a maximum or a minimum of temperature, for example in the food industry and the food industry. chemical industry.15
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