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La présente invention concerne d'une manière générale, un appareil et un procédé pour le traitement, par échange de chaleur, d'une matière pouvant s'écouler. Elle concerne plus particulièrement, un tel traitement d'une matière pouvant s'écouler, qui s'écouler sous pression à travers une enceinte annulaire dans laquelle elle est enfermée.
L'invention concerne d'une manière générale le genre d'installation une matière à traiter à travers un passage annulaire formé entre une paire d'organes cylindriques concentriques pouvant tourner l'un par rapport à l'autre et prévus pour qu'il 'y ait échange de chaleur avec un fluide d'échange de chaleur entourant l'organe cylindrique extérieur et (ou) se trouvant à l'intérieur de l'organe cylindrique intérieur.
La''présente invention concerne un appareil échangeur de chaleur pour le traitement d'une matière pouvant s'écouler, appareil caractérisé par deux organes cylindriques concentriques tournant l'un par rapport à la l'autre et ménageant entre eux une chambre annulaire à travers laquelle on fait écouler la matière à traiter, un troisième organe cylindrique disposé concentriquement par rapport aux premiers et fixé par rapport à l'un de ceux-ci, coopérant avec ce dernier pour déterminer entre eux une chambre annulaire pour le passage d'un fluide d'échange de chaleur, de telle sorte qu'il y ait échange de chaleur avec la paroi, de l'un des organes de la paire, mentionné ci-dessus.
L'invention concerne aussi un appareil échangeur de chaleur ca- ractérisé par un arbre cylindrique creux monté de manière à pouvoir tour- ner dans un tambour cylindrique et formant avec ce tambour un passage pour l'écoulement de la matière subissant le traitement, cet arbre comprend un corps cylindrique et une enveloppe cylindrique, montés concentriquement, l'enveloppe cylindrique présentant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur du corps cylindrique, et montée avec le corps cylindrique suffisamment près l'un de l'autre pour fournir une chambre annulaire relati- vement mince destinée à recevoir un fluide transportant la chaleur..
L'invention concerne aussi dans l'un des appareils précédents, une chicane montée dans la chambre annulaire et contrôlant l'écoulement de la matière traitée.
L'invention concerne également un procédé de chauffage avec un fluide d'échange de chaleur;à deux phases (vapeur-liquide) dans un appareil dans lequel, ledit fluide s'écoule?, en contact avec la.surface intérieure d'une paroi cylindrique d'échange de chaleur tournant dans un sens, procédé caractérisé par ce que le fluide s'écoule suivant un trajet hélicoïdal com- prenant des spires dont la limite extérieure est formée par ladite surface in- térieure, le sens du pas de ces spires étant tel qu'il fournit un écoulement angulaire s'effectuant dans le sens opposé au sens de rotation de ladite pa- roi.
L'invention s'étend également aux caractéristiques ci-après décrites et à leurs diverses combinaisons possibles.
Des installations d'échange de chaleur conformes à l'invention sont représentées à titre d'exemples non limitatifs sur les dessins ci-jpints dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale axiale d'une ins- stallation d'échange de chaleur suivant l'invention, certaines parties ayant été supposées enlevées. la figure 2 représente une coupe longitudinale axiale montrant une autre forme de réalisation de l'invention.
Il y a lieu de faire ennanière d'introduction, que l'
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invention est avantageuse, dans le traitement d'une grande variété de matiè- res pouvant s'écouler, telles que les suspensions d'amidon, les confitures, les sirops, la viscose, etc., en soumettant la matière à traiter à un trai- tement d'échange de chaleur avec un fluide d'échange de chaleur approprié, tel que la vapeur, le "dowtherm" (désignation commerciale du diphényle ou de l'oxyde de diphényle ou d'un mélange des deux), l'eau, l'ammoniaque, les agents réfrigérants aux fluorures (tels que ceux qui sont connus sous le nom de "fréon"), la saumure, etc...... Par conséquent, sous ses aspects élar- gis, l'invention est utile à la fois pour le chauffage et pour le refroidis- sement d'une matière à traiter.Toutefois,
la réalisation de l'invention qui est représentée sur la figure 1 se rapporte à une disposition qui est par- ticulièrement appropriée pour chauffer une matière à traiter en la faisant passer de manière qu'il y ait échange de chaleur avec une vapeur, telle que la vapeur d'eau qui se condense pour céder sa chaleur latente de vaporisa- tion à la matière soumise au chauffage. Sous cette forme l'invention est d'une utilité particulière.
Les dessins montrent que l'arbre creux 4 et le tambour 3 sont mon- tés concentriquement l'un dans l'autre, 'l'arbre creux étant disposé dema- nière à pouvoir tourner. Le passage annulaire 5 existant entre le tambour et l'arbre est prévu pour recevoir un courant de la matière soumise au trai- tement. L'arbre 4 est muni de plateaux d'extrémité 6 et 7, montés de maniè- re à pouvoir tourner respectivement dans le coussinet 8 et dans la boite à garniture 9a, par l'intermédiaire du manchon d'usure 9.
L'arbre 4 comprend un corps cylindrique 10, à l'intérieur duquel est montée concentriquement une enveloppe cylindrique 11. Le corps cylindri- que 10 et l'enveloppe cylindrique 11 déterminent entre eux un intervalle 12, pour le passage d'un fluide transportant la chaleur. L'enveloppe cylindrique 11 est fixée de telle manière qu'elle ne puisse pas tourner par rapport au corps cylindrique 10. Cette fixation est assurée, par exemple, au moyen d'une soudure annulaire 13 exécutée entre l'extrémité inférieure de l'en- veloppe 11 et le plateau 7 formant l'extrémité inférieure de l'arbre.
Le tambour 3 est, de préférence, entouré par une chemise 14 sé - parée dudit tambour par un intervalle approprié et destiné à fournir un pas- sage annulaire pour le fluide transportant la chaleur. L'ensemble est entouré par une couche 16 assurant une isolation calorifique appropriée. L'expan- sion longitudinale et la contraction longitudinale de la chemise de chauf- fage 14 sont fournies au moyen d'un organe 17 ressemblant à un soufflet.
L'arbre 4 peut être muni d'un moyen pour baratter t (ou) pour pomper la matière soumise au traitement pendant son écoulement à travers le passage annulaire 5. Dans la réalisation représentée sur le dessin, ce moyen comprend une nervure hélicoïdale 5 qui sert à exécuter un mélangeagé in- time de la matière et aussi à exercer une force tendant à faire avancer la matière suivant une direction dépendante du sens de rotation. Aux extré- mités de l'arbre (au delà des plateaux d'extrémité 6 et 7) sont montées des chambres d'extrémité 19 et 20.
La chambre d'extrémité 19 est en communi- cation, par l'intermédiaire de plusieurs passages 21 entourant le prolonge- ment 22 de l'arbre, avec le passage 23 d'entrée ou de sortie, tandis que la chambre d'extrémité 20 est en communication avec le passage 24 d'entrée ou de sortie dans lequel est vissée une conduite 25. Selon cette disposition, la matière qui doit être traitée par la chaleur arrive par la conduite 25, l'entrée 24, la chambre 20, monte à travers le passage 5 et sort à la par- tie supérieure en passant par la chambre 19 et lespassages 21,23. Elle peut aussi circuler dans le sens opposé en entrant par le passage 23 et en sor- tant par la conduite 25.
On peut prévoir un trou taraudé 26 et un bouchon fileté 27, des-
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tinés à donner des commodités pour la surveillance, l'entretien, le nettoyage, etc.....Le trou 26 peut aussi être utilisé comme autre passage d'entrée ou de sortie.
L'intervalle annulaire 12, à travers lequel passe le fluide trans- portant la chaleur est muni, de préférence, de chicanes 28 déterminant un trajet d'écoulement constitué par un nombre relativement grand de spires @ circonférentielles, réunies entre elles en série, Dans l'exemple de réalisa- tion de,l'invention, représenté sur la figure 1, ces chicanes sont consti- tuées par un fil métallique enroulé en forme d'hélice autour de l'enveloppe cylindrique 11. Ce fil métallique est en contact à la fois avec la surface extérieure de l'enveloppe cylindrique 11 et avec la surface intérieure du corps cylindrique 10.
Sur toute la longueur de l'enveloppe cylindrique 11, le fluide transportant la chaleur arrive à travers le tuyau 29 et le raccord
30 et il se rend ainsi dans la chambre 31, se trouvant au delà du plateau d' extrémité 32"de l'enveloppe cylindrique. De la chambre 31, le fluide passer à travers l'intervalle annulaire 12 et se rend à'intérieur de l'enveloppe cylindrique en traversant plusieurs ouvertures 33. Par conséquent, la chica- ne 28 fournit pour le fluide transportant la chaleur un chemin d'écoulement dont la section droite est petite, si on la compare à l'aire de section droi- te de l'intervalle annulaire, considéré dans son ensemble.
En fait, la chica- ne réduit l'aire de section droite du chemin d'écoulement du fluide trans- portant la c'ialeur (arrivant de préférence sous une pression appréciable.)
Cette réduction de la section droite du chemin d'écoulement produit une augmentation prononcée de la vitesse d'écoulement du fluide transportant la chaleur, si l'on compare cette vitesse d'écoulement à celle existant dans l'intervalle non muni d'une chicane.
Ainsi qu'il est décrit plus loin d'une manière plus complète, la chicane a pour effet, non seulement, d'améliorer considérablement l'allu- re du transport de la chaleur à travers le corps cylindrique 10, mais enco- re de communiquer une vitesse angulaire relative au fluide ce qui présente un avantage particulier pour l'emploi d'un fluide de chauffage à deux phases.
La chemise 14 est munie de passages 34, 34, d'entrée ou de sortie qui sont destinés à permettre au fluide transportant la chaleur d'entrer dans la chambre annulaire 15 ou d-'en sortir.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un tuyau 29 s'étend à travers l'alésage 35, ménagé,dans l'arbre de commande 36, qui tourne avec le plateau d'extrémité 7. Ainsi qu'on le voit sur la partie inférieure de la figure 1, le tuyau 29 communique avec une chambre 37 ali- mentée en fluide transportant la chaleur par la conduite 38. Par consé- quent, le fluide qui arrive s'écoule de la conduite 38, en traversant la chambre 37, dans le tuyau 29 (qui tourne avec l'arbre 39 du fait qu'il est ajusté à frottement dur par une partie conique dans le raccord 30 se trouvant à l'extrémité supérieure de l'ensemble.) Du tuyau 29, leffluide est débité dans la chambre 31 et passe ensuite à travers le chemin hélicoïdal d'écou- lement déterminé par la chicane 28.
On voit sur la figure que le prolongement 39 de l'arbre (prolon- gement fileté extérieurement et vissé dans un alésage taraudé 40 de l'extré- mité de l'arbre 36) se termine à une faible distance de l'extrémité du tuyau
29. Le prolongement 39 de l'arbre et le tuyau 29 se terminant l'un et-l'autre à l'intérieur d'un dispositif 41, formant joint. A l'intérieur du dispositif
41, le collier.coulissant 42 est claveté sur le prolongement 39 de l'arbre au moyen delà clavette 43.
Des bagues d'obturation 44 et 45 coopèrent avec le col- lier 42 pour empêcher tout échappement du mélange de fluide consommé revenant à l'intérieur de l'arbre 39 à travers l'intervalle annulaire entourant le tuyau 29 et pénétrant dans la chambre collectrice 46 à travers l'ouverture 47
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pour s'écouler de ladite chambre en passant par la conduite de sortie 48.
L'arbre de commande 36 est monté d'une manière appropriée dans les paliers 49 et 50 et il est mû par une commande, par exemple par un moteur (non représenté) au moyen d'une courroie 51 et d'une poulie 52. Avec la chi- cane hélicoïdale 18 telle qu'elle est représentée et le fluide d'échange de chaleur pénétrant dans le passage d'échange de chaleur en se'dirigeant vers la partie supérieure de l'ensemble, la commande est faite dans un sens tel(( dans le sens inverse du sens des aiguilles dt'une montre pour un obser- vateur regardant de par en dessous) que la matière pouvant s'écouler soit pompée vers le haut, c'est à dire suivant une direction opposée à celle du fluide d'échange de chaleur%
Un organe 30a, en forme d'entonnoir,
est fixé d'une manière appro- priée à l'extrémité du raccord 30.Il sert à guider l'extrémité du tuyau 29 pendant qu'on introduit ledit tuyau, assemblé aux autres pièces, à tra- vers l'alésage de l'arbre 36.
Le volume du liquide d'échange de chaleur s'écoulant pour passer dans l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 11, à travers l'ouverture 33, étant important (par exemple quand le fluide employé est en phase liquide sur toute l'étendue de son écoulement à travers l'appareil), le liquide peut avoir tendance à remplir l'intérieur de l'enveloppe cylindrique. Pour évi- ter cette tendance indésirable du fluide, il est prévu dans une forme de réalisation de l'invention représentée figure 2, un plateau 53 fixé suivant son pourtour à l'enveloppe cylindrique, par exemple par une soudure 54 et fixé, au voisinage de l'alésage central, au collier 55 au moyen d'une sou- dure 56.
Dans ce mode de réalisation, le tuyau 29 comprend, de préférence, deux parties 29a et 29b, qui sont filetées à leurs extrémités se faisant face, pour être montées dans l'alésage taraudé{du collier 55. Un organe flexible 57 permet la dilation ou la contraction de la partie du tuyau 29a.
Un traitement par échange,-de chaleur, comportant le chauffage d'une suspension d'amidon par échange de chaleur avec la vapeur peut être exécuté, dans l'installation représentée sur la figure 1 de .la manière sui- vante :
La suspension d'amidon est amenée ,à travers la conduite 25 et le passage 24, dans la chambre d'extrémité 20. Etant donné que l'arbre 10, por- tant un filet hélicoïdal à droite 18, tourne (dans le sens des aiguilles d'une montre pour un observateur regardant par dessus), la suspension d'ami- don se trouve intimement mélangée et barattée et elle avance vers le haut à travers le passage annulaire 5 existant entre les organes cylindriques 3 et 10.
Lorsque la suspension d'amidon s'écoule vers le haut il se produit un échange dé chaleur, d'une part, entre ladite suspension et le fluide d'é- change de chaleur qui entoure le tambour 3 et qui s'écoule de préférence, vers le bas et, d'autre part, entre ladite suspension et le fluide d'échan- ge de chaleur passant,en descendant, à l'intérieur de l'arbre 10. A la par- tie supérieure de l'appareil la suspension, chauffée, passe à travers la chambre d'extrémité 19 et sort à travers les passages 21 et 23.
De la vapeur sous pression entre par la conduite 38 et à travers la chambre 37, dans le tuyau tournant 29 qui la débite, à travers le raccord 30, dans la chambre 31 se trouvant au delà de l'extrémité de l'enveloppe cylindrique 11. En raison de la présence de la chicane 28 enroulée autour de l'enveloppe cylindrique 11 et en contact avec la surface intérieure du corps cylindrique 10, cette vapeur s'écoule, à une vitesse relativement élevée, autour de l'enveloppe cylindrique, en suivant un trajet hélicoïdal. Pendant cet écoulement, la vapeur se condense et l'eau de condensation s'écoule (en même temps qu'une petite quantité de vapeur emprisonnée) vers la partie
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inférieure de l'appareil, passe à travers les ouvertures 33 et pénètre dans l'intérieur de l'enveloppe cylindrique.
De l'intérieur de l'enveloppe cylin- drique, l'eau de condensation s'écoule vers le bas, à travers le passage an- nulaire 35 entourant le tuyau 29, puis à travers l'ouverture 47 ménagée dans la paroi du prolongement 39 de l'arbre 36. Elle arrive ainsi dans la chambre 46 ménagée à l'intérieur du dispositif 41, formant joint et elle sort par l'ouverture du retour 48.
Dans le présent exemple, c'est-à-dire quand on chauffe une suspension d'amidon avec de la vapeur, la chicane héli- coïdale est enroulée comme le montre la figure 1, pour former en fait un che- min d'écoulement hélicoïdal (hélice à gauche) de sorte que la vitesse angulai- re communiquée à la vapeur par la chicane est de sens inverse du sens des aiguilles d'une montre (pour un observateur regardant par dessus) sens op- posé au sens de rotation de l'arbre.
Etant donné que l'ensemble 4, comprenant le corps cylindrique 10 et l'enveloppe cylindrique 11, tourner à uneallure assez rapide, la force cen- trifuge tend à projecter le fluide transportant la chaleur, et en particulier l'eau de condensation, vers l'extérieur, c'est-à-dire vers la surface inté- rieure du corps cylindrique 10. S'il était permis à un film de vapeur con- densée de se développer sur l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 10, l'ef- ficacité de la transmission de chaleur,à travers l'enveloppe cylindrique, à la suspension d'amidon, serait sérieusement affaiblie.
La chicane 28 agit de deux manières différentes pour réduire la ten- dance à la formation d'un tel film de liquide. En premier lieu, la chicane fournit un chemin d'écoulement de section droite diminuée (et de longueur augmentée) de sorte que la vitesse d'écoulement de la vapeur est fortement augmentée. L'écoulement rapide de la vapeur balaie le liquide, en le chas- sant de la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique dès qu'il se for- me, de sorte que ce liquide est entraîné avec la vapeur au lieu qu'il luit soit permis de demeurer relàtivement immobile.
En second.lieu, le sens de l'enroulement (ou le sens du pas de la chicane hélicoïdale) étant convenablement choisi par rapport au sens de ro- tation, la vitesse angulaire absolue de la vapeur et de l'eau de condensa- tion se trouve réduite, ce qui entraîne une réduction correspondante de la force centrifuge, agissant sur l'eau de condensation, de sorte qu'il y a une tendance moindre à la formation d'un film de liquide sur la surface d' échange de chaleur.
Même si l'arbre était maintenu immobile pendant que la vapeur est amenée sous pression dans la chambre supérieure d'extrémité, la vapeur s'écoulerait avec une vitesse angulaire ainsi qu'avec une vitesse linéaire moindre du fait que la chicane hélicoïdale force la vapeur à s'écouler sui- vant un chemin hélicoïdal. Le changement du sens du pas de la chicane hélicoï- dale change le sens de la vitesse angulaire de la vapeur. Toutefois, quand on considère l'effet de la force centrifuge, c'est la grandeur de la vites- se angulaire plutôt que son sens qui a dé l'importance. La chicane étant dis- posée suivant un trajet hélicoïdal ayant un pas d'un sens donné, on peut fai- re tourner l'arbre dans un sens tel qu'il y ait augmentation ouc.diminution de la vitesse angulaire absolue de la vapeur s'écoulait suivant le trajet hélicoïdal.
Quand le sens du pas de la chicane et le sens de rotation sont choisis de telle manière qu'ils communiquent au fluide des composantes de vitesse angulaire de directions respectives opposées, on peut réduire la vi- tesse angulaire résultante.
Etant donné que la force centrigue varie proportionnellement au carré de la vitesse angulaire absolue, on se rend compte qu'une telle dispo- sition réduit considérablement la force centrifuge agissant sur le fluide d' échange de chaleur. Par exemple, si l'on diminue de moitié la vitesse an-
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gulaire absolue des gouttelettes de vapeur condensée, la force centrifuge agissant sur ces gouttelettes se trouve--divisée par quatre.
On constate par conséquent que le fait de prévoir un chemin hé- licoïdal pour le fluide d'échange de chaleur se condensant a pour effet non seulement de produire une vitesse de la vapeur tout à fait efficace pour enlever de la paroi l'eau de condensation, mais aussi de rendre cet enlève- ment plus facile, quand le sens de rotation de l'arbre est inverse du sens du trajet de l'eau de condensation, du fait que la force centrifuge agissant sur l'eau de condensation, pour la maintenir contre la paroi, se trouve réduite.
La réduction de la force centrifuge diminue aussi la tendance à la formation, contre la surface d'échange, d'un film d'eau de condensation
Lorsque l'on travaille avec de la vapeur, 'l'importance de la ré- duction de la force centrifuge varie suivant un-certain nombre de facteurs qui comprennent :le diamètre de l'arbre, le pas du trajet hélicoïdal fourni pour la vapeur par la chicane, le nombre de tours par minute de l'arbre, et enfin la pression et la vitesse de la vapeur à son entrée dans le système.
Pour certaines utilisations dans lesquelles on désire une réduc- tion importante de la force centrifuge agissant sur la vapeur, l'invention propose une disposition de l'installation et un emploi d'une pression de vapeur et d'une température de vapeur tels que soit fournie une vitesse an- gulaire absolue de sortie de l'eau de condensation. De cette manière, dans une région du trajet de la vapeur se trouvant entre l'entrée et la sortie, la vitesse angulaire absolue de la vapeur deviendra:, égale à zéro et elle changera alors de signe. Dans ces conditions, la moyenne des valeurs des forces centrifuges agissant sur le fluide d'un bout à l'autre du trajet d'écoulement donnera une force centrifuge moyenne fortement réduite.
Nous citerons comme exemple typique d'une telle installation et d'un tel fonctionnement, un appareil comportant un arbre tournant ayant un diamètre d'environ 3 pouces (76,2 mm) et une longueur d'environ un pied (304,8 mm) , le rotor tournant à raison de sensiblement 500 t.p.m. L'aire de section droite dû passage hélicoïdal de la vapeur à l'intérieur de l'ar- bre peut avoir une valeur d'environ 1/10 de pouce carré (64,5160 mm2 et l'al- lure de la transmission de la chaleur avec l'arbre peut être d'environ i 10.000 B.
T.U. par heure (2 520 cal/heure) .Cela correspond à environ 44 pieds cubes par heure (1,246 m3/h) de vapeut, qui entreraient dans le passage hélicoïdal à une vitesse d'environ 1 000 pieds par minute (304,8 m/mm). Dans cet exemple, c'est pratiquement toute la vapeur qui se condense pendant son passage à travers le chemin hélicoïdal de sorte que la vitesse de sor- tie par rapport àu rotor est approximativement nulle. En conséquence, la vitesse linéaire moyenne de la vapeur est d'environ 500 pieds par minute ( 52,4 m/mm). Le sens d'écoulement de la vapeur, avec le.rotor commandé de la manière précédemment décrite à propos de la figure 1, est inverse du sens de la rotation de l'arbre.
Etant donné que dans l'exemple examiné ici, la circonférence de l' arbre est d'environ un pied" (304,8 mm) et étant donné que l'arbre tourne à raison d'environ 500 t.p.m., la vitesse angulaire absolue moyenne de la va- peur et de l'eau de condensation est approximativement nulle. Toutefois, si l'on ne tient pas compte du sens de 'rotation de la vapeur, la vitesse angulai- re absolue moyenne n'est pas nulle, mais elle est d'environ 250 t.p.m., en supposant que la variation de la vitesse, depuis l'extrémité d'entrée jusqu'à l'extrémité de sortie de l'arbre soit représentée, par une fonction linéaire.
Avec une vitesse angulaire absolue moyenne d'environ 250 t.p.m., la force centrifuge totale, intégrée le long de toute la longueur de l'arbre, a une valeur qui est une fraction seulement de celle qu'elle aurait en l'ab-
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sence de la chicane hélicoïdale.Dans un cas typique, cette fraction peut s'a- baisser jusqu'à être que 1/5 environ de la force centrifugé intégrée tota- le qui agirait en l'absence de chicane hélicoïdale.
Quand on désire obtenir une réduction encore plus grande de la force centrifuge on peut faire en sorte que le passage du fluide d'échange de chaleur à travers l'intervalle annulaire 12 ait une aire de section droi- te qui aille en décroissant d'une extrémité de l'arbre à l'autre afin de com- penser la diminution du volume du fluide 'se produisant quand ce dernier se condense, Si la diminution de l'aire de section droite est proportionnelle à la diminution du volume du fluide qui se condense, la vitesse angulai- re du fluide qui s'écouler (mesurée par rapport à l'arbre) est essentielle- ment constante sur la longueur de l'arbre et quand.l'arbre tourne dans le sens opposé, à la même vitesse, la vitesse angulaire absolue du fluide est sensiblement nulle.
Par conséquent, la force centrifuge agissant sur le fluide est extrêmement faible et la tendance à maintenir un film liquide empê- chant la transmission de chaleur se trouve réduite au minimum.
Un moyen simple pour obtenir un passage à aire décroissante consis- te à enrouler la chicane 28 suivant une hélice à pas variable, le pas de cet- te hé&ice étant relativement grand à l'extrémité d'entrée dans l'intervalle 12 et relativement petit à l'extrémité de sortie dudit in tarvalle (au lieu d'être constant comme l'indique le dessin).
Il est bien évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. On pourra au besoin recourir à d'au- tres modes et à d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
1. Appareil échangeur de chaleur pour le traitement d'une matiè- re pouvant s'écouler, caractérisé en ce qu'il comprend deux organes cylin- driques concentriques .tournant l'un par rapport à l'autre et ménageant en- tre eux une chambre annulaire à travers laquelle on fait écouler la matière à traiter, un troisième organe cylindrique disposé concentriquement par rap- port aux premiers, et fixe par rapport à l'un de ceux-ci, coopérant avec ce dernier pour déterminer entre eux une chambre annulaire pour le passage d'un fluide d'échange de chaleur, de telle sorte qu'il y ait échange de chaleur avec la paroi, de- l'un des organes de la paire, mentionnée ci-dessus.
2. Appareil échangeur de chaleur pour le traitement d'une matière pouvant s'écouler, caractérisé en ce qu'il comprend un arbre cylindrique creux monté de manière à pouvoir tourner dans un tambour cylindrique et formant ' ' avec ce tambour un passage annulaire pour l'écoulement de la matière subis= sant le traitement, cet arbre comprenant un corps cylindrique et une envelop- pe cylindrique, montés concentriquement, l'enveloppe cylindrique présentant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur du corps cylindri- que, et monté avec le corps cylindrique suffisamment près l'un de l'autre pour fournir une chambre annulaire relativement mince, destinée à recevoir un flui- de transportant la chaleur.
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The present invention relates generally to an apparatus and method for treating, by heat exchange, a flowable material. It relates more particularly to such a treatment of a flowable material which flows under pressure through an annular chamber in which it is enclosed.
The invention relates generally to the kind of installation of a material to be processed through an annular passage formed between a pair of concentric cylindrical members rotatable with respect to one another and provided so that it ' there is heat exchange with a heat exchange fluid surrounding the outer cylindrical member and (or) located inside the inner cylindrical member.
The present invention relates to a heat exchanger apparatus for the treatment of a flowable material, characterized by two concentric cylindrical members rotating with respect to each other and providing between them an annular chamber through which is made to flow the material to be treated, a third cylindrical member arranged concentrically with respect to the first and fixed with respect to one of these, cooperating with the latter to determine between them an annular chamber for the passage of a fluid heat exchange, such that there is heat exchange with the wall, of one of the members of the pair, mentioned above.
The invention also relates to a heat exchanger apparatus characterized by a hollow cylindrical shaft mounted so as to be able to turn in a cylindrical drum and forming with this drum a passage for the flow of the material undergoing the treatment, this shaft comprises a cylindrical body and a cylindrical shell, mounted concentrically, the cylindrical shell having an outside diameter smaller than the inside diameter of the cylindrical body, and mounted with the cylindrical body close enough to each other to provide an annular chamber relatively thin intended to receive a heat transporting fluid.
The invention also relates, in one of the preceding devices, to a baffle mounted in the annular chamber and controlling the flow of the treated material.
The invention also relates to a method of heating with a two-phase (vapor-liquid) heat exchange fluid in an apparatus in which said fluid flows, in contact with the interior surface of a wall. heat exchange cylindrical rotating in one direction, process characterized in that the fluid flows along a helical path comprising turns whose outer limit is formed by said inner surface, the direction of the pitch of these turns being such that it provides an angular flow taking place in the direction opposite to the direction of rotation of said wall.
The invention also extends to the characteristics described below and to their various possible combinations.
Heat exchange installations according to the invention are shown by way of nonlimiting examples in the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a view in axial longitudinal section of a heat exchange installation. heat according to the invention, some parts having been assumed to be removed. FIG. 2 represents an axial longitudinal section showing another embodiment of the invention.
It is appropriate to make an introductory note, that the
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The invention is advantageous in the treatment of a wide variety of flowable materials, such as starch suspensions, jams, syrups, viscose, etc., by subjecting the material to be treated to treatment. - heat exchange element with a suitable heat exchange fluid, such as steam, "dowtherm" (trade name of diphenyl or diphenyl oxide or a mixture of the two), water , ammonia, fluoride coolants (such as those known as "freon"), brine, etc ...... Therefore, in its broad aspects, the invention is useful for both heating and cooling of a material to be treated.
the embodiment of the invention which is shown in figure 1 relates to an arrangement which is particularly suitable for heating a material to be treated by passing it through such that there is heat exchange with a vapor, such as water vapor which condenses to give up its latent heat of vaporization to the material being heated. In this form the invention is of particular utility.
The drawings show that the hollow shaft 4 and the drum 3 are mounted concentrically one inside the other, the hollow shaft being arranged so as to be rotatable. The annular passage 5 existing between the drum and the shaft is provided to receive a flow of the material subjected to the treatment. The shaft 4 is provided with end plates 6 and 7, mounted so as to be able to turn respectively in the bearing 8 and in the stuffing box 9a, by means of the wear sleeve 9.
The shaft 4 comprises a cylindrical body 10, inside which is concentrically mounted a cylindrical casing 11. The cylindrical body 10 and the cylindrical casing 11 determine between them an interval 12, for the passage of a transporting fluid. the heat. The cylindrical casing 11 is fixed in such a way that it cannot rotate relative to the cylindrical body 10. This fixing is ensured, for example, by means of an annular weld 13 made between the lower end of the en - veloppe 11 and the plate 7 forming the lower end of the shaft.
The drum 3 is preferably surrounded by a jacket 14 separated from said drum by a suitable gap and intended to provide an annular passage for the heat transporting fluid. The whole is surrounded by a layer 16 ensuring appropriate heat insulation. The longitudinal expansion and the longitudinal contraction of the heating jacket 14 is provided by means of a member 17 resembling a bellows.
The shaft 4 can be provided with a means for churning t (or) for pumping the material subjected to the treatment during its flow through the annular passage 5. In the embodiment shown in the drawing, this means comprises a helical rib 5 which serves to carry out an intimate mixing of the material and also to exert a force tending to advance the material in a direction dependent on the direction of rotation. At the ends of the shaft (beyond the end plates 6 and 7) are mounted end chambers 19 and 20.
The end chamber 19 is in communication, by means of several passages 21 surrounding the extension 22 of the shaft, with the inlet or outlet passage 23, while the end chamber 20 is in communication with the inlet or outlet passage 24 in which a pipe 25 is screwed. According to this arrangement, the material which must be treated by heat arrives through the pipe 25, the inlet 24, the chamber 20, rises through the passage 5 and exits to the upper part passing through the chamber 19 and the passages 21,23. It can also run in the opposite direction by entering through passage 23 and exiting through pipe 25.
One can provide a threaded hole 26 and a threaded plug 27, des-
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tines to provide convenience for monitoring, maintenance, cleaning, etc. ... The hole 26 can also be used as another entry or exit passage.
The annular gap 12 through which the heat-carrying fluid passes is preferably provided with baffles 28 providing a flow path consisting of a relatively large number of circumferential turns, joined together in series. The exemplary embodiment of the invention, shown in FIG. 1, these baffles are constituted by a metal wire wound in the form of a helix around the cylindrical casing 11. This metal wire is in contact with both with the outer surface of the cylindrical shell 11 and with the inner surface of the cylindrical body 10.
Over the entire length of the cylindrical casing 11, the heat transporting fluid arrives through the pipe 29 and the fitting
30 and thus proceeds into chamber 31, lying beyond the end plate 32 "of the cylindrical casing. From chamber 31, fluid passes through annular gap 12 and travels within. the cylindrical casing by passing through several openings 33. Therefore, the chock 28 provides for the heat transporting fluid a flow path of which the cross section is small, compared to the cross sectional area. of the annular interval, considered as a whole.
In fact, the chick reduces the cross-sectional area of the flow path of the heat-carrying fluid (preferably arriving under appreciable pressure.)
This reduction in the cross-sectional area of the flow path produces a marked increase in the flow rate of the heat transporting fluid, if this flow rate is compared to that existing in the non-baffled gap. .
As will be described more fully below, the baffle has the effect not only of considerably improving the rate of heat transport through the cylindrical body 10, but also of considerably improving the rate of heat transport through the cylindrical body 10. imparting an angular velocity relative to the fluid, which presents a particular advantage for the use of a two-phase heating fluid.
The jacket 14 is provided with entry or exit passages 34, 34 which are intended to allow the heat transporting fluid to enter or leave the annular chamber 15.
According to another embodiment of the invention, a pipe 29 extends through the bore 35, formed, in the control shaft 36, which rotates with the end plate 7. As can be seen. in the lower part of FIG. 1, the pipe 29 communicates with a chamber 37 supplied with fluid transporting heat through the pipe 38. Consequently, the fluid which arrives flows from the pipe 38, passing through the pipe. chamber 37, in pipe 29 (which rotates with shaft 39 because it is frictionally fitted by a tapered portion in fitting 30 at the upper end of the assembly.) of pipe 29, the effluid is delivered into chamber 31 and then passes through the helical flow path determined by baffle 28.
It can be seen in the figure that the extension 39 of the shaft (extension threaded externally and screwed into a threaded bore 40 of the end of the shaft 36) ends at a small distance from the end of the pipe.
29. The extension 39 of the shaft and the pipe 29 both terminating inside a device 41, forming a joint. Inside the device
41, the sliding collar 42 is keyed on the extension 39 of the shaft by means of the key 43.
Sealing rings 44 and 45 cooperate with collar 42 to prevent any escape of the consumed fluid mixture back to the interior of shaft 39 through the annular gap surrounding pipe 29 and entering the collecting chamber. 46 through the opening 47
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to flow from said chamber via the outlet pipe 48.
The drive shaft 36 is suitably mounted in the bearings 49 and 50 and is driven by a drive, for example by a motor (not shown) by means of a belt 51 and a pulley 52. With the helical chuck 18 as shown and the heat exchange fluid entering the heat exchange passage towards the top of the assembly, control is made in one direction. such ((counterclockwise for an observer looking from below) that the flowable material is pumped upwards, that is, in a direction opposite to that of heat exchange fluid%
A funnel-shaped organ 30a,
is fixed in a suitable manner to the end of the fitting 30.It serves to guide the end of the pipe 29 while the said pipe, assembled with the other parts, is introduced through the bore of the tree 36.
The volume of the heat exchange liquid flowing to pass into the interior of the cylindrical casing 11, through the opening 33, being large (for example when the fluid employed is in the liquid phase over the entire extent of its flow through the apparatus), the liquid may tend to fill the interior of the cylindrical shell. To avoid this undesirable tendency of the fluid, there is provided in one embodiment of the invention shown in FIG. 2, a plate 53 fixed along its periphery to the cylindrical casing, for example by a weld 54 and fixed in the vicinity from the central bore, to the collar 55 by means of a weld 56.
In this embodiment, the pipe 29 preferably comprises two parts 29a and 29b, which are threaded at their ends facing each other, to be mounted in the threaded bore {of the collar 55. A flexible member 57 allows for expansion. or the contraction of the part of the pipe 29a.
A heat exchange treatment comprising the heating of a starch slurry by heat exchange with steam can be carried out, in the installation shown in FIG. 1, in the following manner:
The starch slurry is fed, through line 25 and passage 24, into end chamber 20. Since shaft 10, having a right-hand helical thread 18, rotates (in the direction of clockwise for an observer looking overhead), the starch suspension is intimately mixed and churned and it advances upward through the annular passage 5 existing between the cylindrical members 3 and 10.
When the starch suspension flows upwards, a heat exchange takes place, on the one hand, between said suspension and the heat exchange fluid which surrounds the drum 3 and which preferably flows. , downwards and, on the other hand, between said suspension and the heat exchanging fluid passing, downward, inside the shaft 10. At the upper part of the apparatus the suspension, heated, passes through end chamber 19 and exits through passages 21 and 23.
Steam under pressure enters through line 38 and through chamber 37, into rotating pipe 29 which delivers it, through fitting 30, into chamber 31 located beyond the end of cylindrical casing 11 Due to the presence of the baffle 28 wound around the cylindrical casing 11 and in contact with the inner surface of the cylindrical body 10, this vapor flows, at a relatively high speed, around the cylindrical casing, in following a helical path. During this flow, the vapor condenses and the condensed water flows (along with a small amount of trapped vapor) to the
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lower part of the device, passes through the openings 33 and enters the interior of the cylindrical casing.
From the inside of the cylindrical casing, the condensed water flows downwards, through the annular passage 35 surrounding the pipe 29, then through the opening 47 in the wall of the extension. 39 of the shaft 36. It thus arrives in the chamber 46 formed inside the device 41, forming a seal and it exits through the opening of the return 48.
In the present example, that is, when heating a starch slurry with steam, the helical baffle is wound up as shown in Figure 1, in effect forming a flow path. helical (propeller on the left) so that the angular velocity communicated to the vapor by the baffle is counterclockwise (for an observer looking overhead) opposite to the direction of rotation of the tree.
Since the assembly 4, comprising the cylindrical body 10 and the cylindrical casing 11, rotate at a fairly rapid rate, the centrifugal force tends to project the heat transporting fluid, and in particular the condensed water, towards outside, ie towards the inner surface of the cylindrical body 10. If a film of condensed vapor was allowed to develop on the inside of the cylindrical casing 10, The efficiency of heat transmission, through the cylindrical shell, to the starch slurry would be seriously weakened.
Baffle 28 acts in two different ways to reduce the tendency to form such a liquid film. In the first place, the baffle provides a flow path of decreased cross section (and of increased length) so that the flow velocity of the vapor is greatly increased. The rapid flow of vapor sweeps away the liquid, driving it from the inner surface of the cylindrical casing as soon as it forms, so that this liquid is entrained with the vapor instead of glowing. be allowed to remain relatively still.
Secondly, the direction of winding (or the direction of the pitch of the helical baffle) being suitably chosen with respect to the direction of rotation, the absolute angular velocity of the steam and of the condensed water is reduced, resulting in a corresponding reduction in the centrifugal force, acting on the condensation water, so that there is less tendency for a liquid film to form on the heat exchange surface .
Even if the shaft were kept stationary while the steam is brought under pressure into the upper end chamber, the steam would flow at an angular velocity as well as a lower linear velocity as the helical baffle forces the steam. to flow along a helical path. Changing the direction of the pitch of the helical baffle changes the direction of the angular velocity of the steam. However, when considering the effect of centrifugal force, it is the magnitude of the angular velocity rather than its direction that is of importance. The baffle being arranged in a helical path having a pitch in a given direction, the shaft can be rotated in a direction such that there is an increase or decrease in the absolute angular speed of the vapor s 'flowed along the helical path.
When the direction of the baffle pitch and the direction of rotation are chosen such that they impart to the fluid angular velocity components of opposite respective directions, the resulting angular velocity can be reduced.
Since the central force varies in proportion to the square of the absolute angular velocity, it will be appreciated that such an arrangement considerably reduces the centrifugal force acting on the heat exchange fluid. For example, if we halve the speed an-
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absolute gular of the condensed vapor droplets, the centrifugal force acting on these droplets is found - divided by four.
It is therefore found that the provision of a helical path for the condensing heat exchange fluid has the effect not only of producing a vapor velocity which is quite effective in removing the condensation water from the wall. , but also to make this removal easier, when the direction of rotation of the shaft is opposite to the direction of the path of the condensation water, due to the fact that the centrifugal force acting on the condensation water, for the hold against the wall, is reduced.
The reduction in centrifugal force also decreases the tendency to form, against the exchange surface, a film of condensation water.
When working with steam the magnitude of the reduction in centrifugal force will vary depending on a number of factors which include: the diameter of the shaft, the pitch of the helical path provided for the steam by the baffle, the number of revolutions per minute of the shaft, and finally the pressure and speed of the steam as it enters the system.
For certain uses in which a substantial reduction in the centrifugal force acting on the steam is desired, the invention provides an arrangement of the plant and use of a steam pressure and a steam temperature such that either provides an angular absolute condensate water outlet speed. In this way, in a region of the vapor path between the inlet and the outlet, the absolute angular speed of the vapor will become :, equal to zero and it will then change sign. Under these conditions, the average of the values of the centrifugal forces acting on the fluid throughout the flow path will give a greatly reduced average centrifugal force.
As a typical example of such an installation and operation, we will cite an apparatus comprising a rotating shaft having a diameter of about 3 inches (76.2 mm) and a length of about one foot (304.8 mm). ), the rotor rotating at a rate of approximately 500 rpm The cross-sectional area of the helical passage of the vapor inside the shaft may have a value of about 1/10 of a square inch (64.5160 mm2 and the aspect of the transmission of the heat with the tree can be about i 10,000 B.
TU per hour (2,520 cal / hour). This corresponds to approximately 44 cubic feet per hour (1.246 m3 / h) of vapor, which would enter the helical passage at a rate of approximately 1,000 feet per minute (304.8 m / mm). In this example, almost all of the vapor condenses as it passes through the helical path so that the exit velocity relative to the rotor is approximately zero. As a result, the average linear vapor velocity is approximately 500 feet per minute (52.4 m / mm). The direction of steam flow, with the rotor controlled in the manner previously described in connection with Figure 1, is opposite to the direction of rotation of the shaft.
Since in the example examined here, the circumference of the shaft is about one foot "(304.8mm) and since the shaft rotates at about 500 rpm, the average absolute angular speed of the vapor and of the condensation water is approximately zero. However, if one does not take into account the direction of rotation of the vapor, the mean absolute angular velocity is not zero, but it is is about 250 rpm, assuming the variation in speed from the input end to the output end of the shaft is represented by a linear function.
With an average absolute angular speed of about 250 rpm, the total centrifugal force, integrated along the entire length of the shaft, has a value which is only a fraction of that which it would otherwise have.
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The presence of the helical baffle. In a typical case this fraction may drop to only about 1/5 of the total integrated centrifuged force that would act in the absence of the helical baffle.
When it is desired to obtain an even greater reduction in centrifugal force, it is possible to arrange for the passage of the heat exchange fluid through the annular gap 12 to have a cross-sectional area which decreases by one. end of the shaft to the other in order to compensate for the decrease in the volume of the fluid which occurs when the latter condenses, If the decrease in the cross-sectional area is proportional to the decrease in the volume of the fluid which condenses, the angular velocity of the flowing fluid (measured relative to the shaft) is essentially constant along the length of the shaft and when the shaft rotates in the opposite direction, at the same speed , the absolute angular speed of the fluid is substantially zero.
Therefore, the centrifugal force acting on the fluid is extremely small and the tendency to maintain a liquid film preventing heat transmission is minimized.
A simple way to achieve a decreasing area passage is to wind the baffle 28 in a variable pitch helix, the pitch of this helix being relatively large at the entry end in the gap 12 and relatively small. at the output end of said interval (instead of being constant as shown in the drawing).
It is obvious that the invention is not limited to the embodiments described and shown. Other embodiments and other embodiments can be used, if necessary, without departing from the scope of the invention.
CLAIMS.
1. A heat exchanger apparatus for the treatment of a flowable material, characterized in that it comprises two concentric cylindrical members .turning with respect to one another and forming between them. an annular chamber through which the material to be treated is made to flow, a third cylindrical member arranged concentrically with respect to the former, and fixed with respect to one of the latter, cooperating with the latter to determine a chamber between them annular for the passage of a heat exchange fluid, so that there is heat exchange with the wall, of- one of the members of the pair, mentioned above.
2. Heat exchange apparatus for the treatment of a flowable material, characterized in that it comprises a hollow cylindrical shaft mounted so as to be able to turn in a cylindrical drum and forming '' with this drum an annular passage for the flow of the material undergoing the treatment, this shaft comprising a cylindrical body and a cylindrical casing, mounted concentrically, the cylindrical casing having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical body, and mounted with the cylindrical body close enough to each other to provide a relatively thin annular chamber for receiving a heat transporting fluid.