~ WO94/L~70 1 2 1 S O 15 7 PCTn~93/01167 Echanqeur mélanqeur à effet de convection chaotique.
La présente invention concerne un échangeur mélangeur à effet de convection chaotique pour le mélange et le chauffage de fluides newtoniens ou non newtoniens et s'applique plus particulièrement aux fluides visqueux et fragiles.
Un grand nombre d'échangeurs de chaleur ou de mélangeurs sont connus. Dans certains des échangeurs de chaleur, on est amené
à chauffer des fluides mauvais conducteurs de la chaleur, très visqueux et au comportement thermorhéologique complexe (fluides non newtoniens notamment) au moyen soit d'échangeurs tubulaires soit d'échangeurs à plaques. Pour traiter de tels fluides, ces techniques ne donnent pas toujours satisfaction et posent souvent des problèmes. Le chauffage homogène des fluides très visqueux pose des difficultés qui sont liées au problème du mélange. Un mélange hetérogène induit des transferts thermiques inégaux suivant les zones pouvant provoquer des zones de surchauffe où le fluide est altéré ou au contraire des zones froides. En conséquence, pour améliorer le processus de chauffage des fluides visqueux, on est amené à
brasser le fluide au moyen d'un agent agitateur externe comme les turbulateurs ou les générateurs de turbulence. Cependant, les agitateurs externes exercent souvent des contraintes de 215()~57 WO94/L~70 2 PCT~3/01167 ~
cisaillement considérables sur le fluide. Donc, l'échauffement et le mélange de fluides délicats incapables de supporter de fortes contraintes sans subir de dégradations restent un problème notamment dans l'industrie alimentaire, biochimique S et pharmaceutique.
Le but de la présente invention est donc de proposer un échangeur mélangeur qui résout le problème de l';nho~ogénéité
de chauffage et de mélange et, donc, améliore la performance de l'échangeur sans augmenter les contraintes mécaniques au sein du fluide et sans avoir recours à la génération de turbulences qui entraînent des pertes d'énergie considérables.
Le but de la présente invention est donc de générer un mélange par chaos Lagrangien et d'obtenir un brassage équivalent au brassage obtenu dans un régime turbulent classique mais sans contraintes mécaniques élevées du type de celles que l'on rencontre dans un écoulement autre que laminaire.
L'invention concerne à cet effet un échangeur mélangeur à
effet de convection chaotique. Il convient de rappeler ci-après ce que l'on appelle convection chaotique.
Historiquement, la distinction entre écoulement laminaire et turbulent a été basée sur la nature Eulérienne de champs de vitesse. Certains écoulements peuvent être considérés réguliers lorsque des quantités Eulériennes sont mesurées (champs de vitesse pour plusieurs points fixes) alors qu'ils apparaissent stochastiques lorsque l'on enregistre des quantités Lagrangiennes (trajectoires de particules). C'est l'existence de mouvements stochastiques des particules en écoulement laminaire que l'on dénomme phénomène de convection chaotique.
En conséquence, pour obtenir ces mouvements stochastiques en écoulement laminaire en vue d'aboutir à un certain degré de mélange en un temps donné, il faut imposer aux particules de fluides de suivre des trajectoires optimales. A travers l'invention; les trajectoires obtenues sont des trajectoires 21~0~7 WO94/1~70 3 PCT~93/01167 chaotiques des particules de fluide qui sont produites en utilisant des tourbillons inhérents à l'écoulement et qui agissent comme des agitateurs internes. Ce sont ces tourbillons longitudinaux dits "rouleaux de Dean", .apparaissant sous l'effet du déséquilibre qui existe entre le gradient de pression transversal et la force centrifuge qui est liée à la courbure des lignes de courant de fluides obtenues dans des canalisations courbes, qui sont utilisées pour obtenir les trajectoires chaotiques des particules.
Les éléments générateurs de chaos utilisés dans le cadre de l'invention se caractérisent donc par leur disposition dans l'espace en vue d'obtenir une trajectoire du fluide très particulière. L'échangeur mélangeur à effet de convection chaotique objet de l'invention comporte un conduit formé d'une seule pièce ou réalisé à partir d'une série d'éléments disposés bout à bout, à l'intérieur duquel s'écoule un fluide devant être mélangé et/ou soumis à un flux thermique, caractérisé en ce qu'une portion du conduit est réalisée au moyen d'un élément générateur de chaos comprenant au moins deux portions courbes, qui délimitent deux plans de courbure, définis comme les plans incluant le centre de l'arc de cercle définissant la courbe et la tangente à ladite portion courbe, lesdits plans de courburç étant orthogonaux.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le conduit à l'intérieur duquel s'écoule le fluide est constitué
notamment par une combinaison d'un ou plusieurs éléments générateurs de chaos dont les portions courbes sont de rayon et d'angle au centre identiques, le ou lesdits éléments présentant en section transversale une symétrie centrale et un angle au centre compris entre 90 et 270, de préférence égal à 120.
35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, lesquels description et dessins sont donnés surtout à titre d'exemples. Dans ces dessins :
21$0~7 `
WOg4/~70 4 PCT~3/01167 ~
la figure 1 représente un élément générateur de chaos constitué d'une série de quatre éléments cintrés de section carrée, et S , ..
la figure 2 représente une vue en perspective d'un échangeur mélangeur constitué d'une série d'éléments générateurs de chaos constitués d'éléments cintrés de section circulaire.
Conformément à l'invention, l'échangeur mélangeur à effet de convection chaotique comporte une série d'éléments creux 1, 11, 12, etc. ouverts à chacune de leurs extrémités et disposés bout à bout. Ces éléments peuvent être de deux types, rectilignes ou cintrés, c'est-à-dire courbes. Dans la figure 1, des éléments rectilignes tels que l'élément 14 sont associés aux éléments courbes 11, 12, 13. On peut également imaginer qu'un seul et même élément comporte plusieurs portions courbes, cet élément étant dans ce cas formé d'une seule pièce par cintrage.
Les éléments générateurs de chaos, objets de l'invention, sont constitués d'au moins deux portions courbes qui délimitent deux plans de courbure orthogonaux entre eux. Il est rappelé
conformément à ce qui a été dit ci-dessus que par plan de courbure on entend le plan contenant le centre de courbure et la tangente de la portion en arc de cercle de la partie courbe. Cela signifie, par exemple dans la figure 1 pour simplifier, que l'on assemble l'élément 1 et l'élément 11 dans un même plan puis on fait subir à l'élément 11 une rotation de 90. De ce fait, en introduisant une discontinuité géométrique de l'écoulement du fluide par variation dans l'espace des plans de courbure d'un élément courbe à un autre, on modifie les trajectoires au sein de l'écoulement à l'entrée de chaque portion courbe. En fait, on génère un type de trajectoire dans un élément, on détruit ensuite celle-ci et on régénère un autre type de trajectoire dans l'élément suivant. Ainsi des trajectoires très complexes peuvent être produites par ce I ` t t f 1l ~
WO94/1~70 5 PCT~93/01167 moyen et une particule de fluide soumise à un tel système va suivre un mouvement chaotique si la rotation d'un plan de courbure par rapport à un autre est choisie de manière appropriée. La portion courbe de chacun des éléments peut varier d'un élément à un autre. Ainsi, l'angle au centre O de chaque portion courbe peut être compris çntre 90 et 270. Il sera de préférence choisi égal à 120. A l'inverse, on peut décider, de manière à standardiser la production et la fabrication d'une telle installation, que l'élément générateur de chaos soit réalisé à partir d'une combinaison de portions courbes dont les plans de courbure sont orthogonaux entre eux et dont les rayons, angles au centre, et longueurs droites sont identiques. De ce fait, on peut de manière mathématique définir les coordonnées d'un point Mi disposé sur la fibre centrale à l'angle i dans un élément courbe de rang i ou à la longueur Li dans un élément droit de rang i. Par fibre centrale, on entend la ligne représentée en pointillé à la figure 1 qui joint les centres de section successifs d'une portion courbe. Cette 'définition constitue une aide à la réalisation du conduit en permettant d'une part une optimisation du 'tracé du conduit, d'autre part une conception et une fabrication automatisées dudit conduit.
Les éléments courbes ont un rayon de courbure moyen R et un angle au centre ~.
On choisira un repère orthonormé d'origine O1 désigné par (i1, ~
il~ k1) dans lequel on déterminera les coordonnées du point Mi dans l'élément i. Pour ce faire, on utilisera les matrices et les vecteurs définis comme suit :
- - _ 0 - CosO SinO 0 CosO SinO
Mgo= 1 o o M-so= -1 0 0 0 SinO Cos~ 0 -Sin~ CosO
21~0~7 . . . . , -~ ~:-W094/~70 : 6 PCT/FR93/01167 0 - 1 0 0 1 0 Cos~ 0 Sin~
Rgo = l o o R 9o = -1 0 0 Hc = 1 0 0 0 1 0 0 1 -Sin~ 0 Cos~
R (1-Cos~i) 0 1 0 0 10 Ci = Di = o HD = 0 1 0 R Sin~i Li 0 0 Soit un mélangeur échangeur de chaleur à effet de convection chaotique à n éléments.
Les coordonnées du point M1 à l'angle ~1 si l'élément 1 est courbe ou à la longueur L1 s'il est droit sont données dans le repère (1~ kl), par les coordonnées du vecteur V1 qui est égal à C1 si l'élément est courbe ou D1 s'il est droit.
Les coordonnées du point M2 à l'angle ~2 si l'élément 2 est courbe ou à la longueur L2 s'il est droit sont données dans le repère (01~ kl), par les coordonnées du vecteur T2 :
T2 = (V1)L,~ + M2-1V2 avec (V1)L~ = V1 avec ~ et L1 = L
avec V2 qui est égal à C2 si l'élément 2 est courbe et dans ce cas avec M2_1 qui est égal à :
- Mgo si l~ élément 1 est courbe et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport l'élément L est de +90 - M_go si l~ élément 1 est courbe et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de -90 - Rgo si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de +90 - R go si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est de -90 - HD si l'élément 1 est droit et si l'angle de rotation de l'élément 2 par rapport à l'élément 1 est 0 .
ou avec V2 qui est égal à D2 si l'élément 2 est droit et dans ce cas avec M2-1 qui est égal à Hc si l'élément 1 est courbe _ ' ~ ' t .~
W094/~270 215 0 4 5 7 PCT~3/01167 et à HD si l'élément 1 est droit.
On peut de ce fait exprimer les coordonnées d'un point Mi disposé sur la fibre centrale du ième élément du mélangeur échangeur.
Ces coordonnées sont données par celles du vecteur Ti qui est égal à :
Ti = (Vi_1)L~ + M2,1 x M3,2X-~x Mi,i_1 Vi On peut donc exprimer les coordonnées du point Mn au moyen d'une série d'équations matricielles T1 = V1 T2 = (V1)L,~ + M2,1 V2 Ti = (Vi-1)L,~ + M2,1 x M3,2 x.. x Mi i-1 Vi 15 Tn = (Vn-1)L,~ + M2,1 x M3,2 x.. x Mn,n_1 Vn où les vecteurs V1, Vi, Vn dépendent de la forme de l'élément et les matrices M2,1, Mi,i_1, Mn~n-1 de la forme des deux éléments mis en indice et de leur rotation l'un par rapport à
l'autre.
Cette solution mathématique qui permettra de calculer de manière rapide et fiable l'équation de la fibre centrale ne pourra être appliquée que si le conduit est une combinaison de portions courbes de rayon, angle au centre et longueurs droites identiques pour une installation donnée. Ce cas ne constitue qu'un exemple particulier de l'invention.
Pour optimiser l'effet de mélange, il convient d'optimiser le chaos spatial généré dans cette géométrie. On constate pour ce faire qu'une des solutions préférentielles de l'invention consiste à disposer en série au moins quatre portions courbes comme le montre la figure 1. Bien évidemment, ces portions courbes mises en série peuvent être obtenues à partir d'un seul et même élément formé d'une seule pièce ou à partir de quatre éléments assemblés par des moyens de liaison appropriés. En outre, toujours pour des raisons d'efficacité
et de facilité de mise en oeuvre, les éléments constitutifs 1, 11, 12,..., ln de l'élément chaotique présentent de manière ~ WO94 / L ~ 70 1 2 1 SO 15 7 PCTn ~ 93/01167 Mixing exchanger with chaotic convection effect.
The present invention relates to a mixing effect exchanger chaotic convection for mixing and heating Newtonian or non-Newtonian fluids and applies more particularly for viscous and fragile fluids.
A large number of heat exchangers or mixers are known. In some of the heat exchangers, we are brought to heat fluids that are poor conductors of heat, very viscous and with complex thermorheological behavior (non-Newtonian fluids in particular) by means of either exchangers tubular or plate heat exchangers. To deal with such fluids, these techniques are not always satisfactory and often cause problems. Homogeneous heating of very viscous fluids poses difficulties which are related to mixing problem. A heterogeneous mixture induces uneven heat transfers depending on the areas that can cause overheating areas where the fluid is altered or unlike cold areas. As a result, to improve the process of heating viscous fluids, we are led to stir the fluid using an external agitator such as turbulators or turbulence generators. However, external agitators often exert constraints on 215 () ~ 57 WO94 / L ~ 70 2 PCT ~ 3/01167 ~
considerable shear on the fluid. So the warm-up and the mixture of delicate fluids unable to withstand strong constraints without undergoing degradations remain a problem especially in the food industry, biochemical S and pharmaceutical.
The aim of the present invention is therefore to propose a mixer exchanger which solves the problem of nho ~ uniformity heating and mixing and therefore improves performance of the exchanger without increasing the mechanical stresses within the fluid and without resorting to the generation of turbulences which cause considerable energy losses.
The aim of the present invention is therefore to generate a mixture by Lagrangian chaos and to obtain a mixing equivalent to mixing obtained in a classic turbulent regime but without high mechanical stresses of the type that one encounter in a flow other than laminar.
To this end, the invention relates to a mixing exchanger with chaotic convection effect. It should be recalled below after what's called chaotic convection.
Historically, the distinction between laminar flow and turbulent was based on the Eulerian nature of fields of speed. Some flows can be considered regular when Eulerian quantities are measured (speed fields for several fixed points) while they appear stochastic when recording Lagrangian quantities (particle trajectories). This is the existence of stochastic movements of the particles in laminar flow which is called convection phenomenon chaotic.
Consequently, to obtain these stochastic movements in laminar flow in order to achieve a certain degree of mixture in a given time, it is necessary to impose on the particles of fluids to follow optimal trajectories. Through the invention; the trajectories obtained are trajectories 21 ~ 0 ~ 7 WO94 / 1 ~ 70 3 PCT ~ 93/01167 chaotic fluid particles that are produced in using eddies inherent in the flow and which act as internal agitators. These are longitudinal vortices called "Dean rolls", . appearing under the effect of the imbalance which exists between the transverse pressure gradient and the centrifugal force which is related to the curvature of the fluid current lines obtained in curved pipes, which are used to get the chaotic trajectories of the particles.
The chaos-generating elements used in the context of the invention are therefore characterized by their arrangement in space in order to get a very fluid path particular. The convection effect mixer exchanger chaotic object of the invention comprises a conduit formed of a single piece or made from a series of elements arranged end to end, inside which a fluid flows to be mixed and / or subjected to a heat flux, characterized in that a portion of the conduit is made at by means of a chaos generating element comprising at least two curved portions, which delimit two planes of curvature, defined as planes including the center of the arc defining the curve and the tangent to said curved portion, said planes of courburç being orthogonal.
According to a preferred embodiment of the invention, the conduit inside which the fluid flows consists in particular by a combination of one or more elements chaos generators whose curved portions are of radius and with identical center angles, the said element or elements having a central symmetry and a cross-section angle at the center between 90 and 270, preferably equal to 120.
Other features and advantages of the invention will appear again on reading the description which follows and attached drawings, which description and drawings are given mainly as examples. In these drawings:
$ 21 0 ~ 7 `
WOg4 / ~ 70 4 PCT ~ 3/01167 ~
Figure 1 shows a chaos-generating element consisting of a series of four curved elements of square section, and S, ..
Figure 2 shows a perspective view of a mixing exchanger made up of a series of elements chaos generators made up of curved elements of circular section.
According to the invention, the mixing effect exchanger chaotic convection comprises a series of hollow elements 1, 11, 12, etc. open at each of their ends and arranged end to end. These elements can be of two types, straight or curved, i.e. curved. In the figure 1, rectilinear elements such as element 14 are associated with the curved elements 11, 12, 13. It is also possible imagine that a single element has several curved portions, this element being in this case formed of a single piece by bending.
The elements generating chaos, objects of the invention, are made up of at least two curved portions which delimit two planes of curvature orthogonal to each other. He is reminded in accordance with what has been said above that by plan of curvature means the plane containing the center of curvature and the tangent of the arc portion of the part curve. This means, for example in Figure 1 for simplify, that we assemble element 1 and element 11 in the same plane then the element 11 is subjected to a rotation of 90. Therefore, by introducing a geometric discontinuity of fluid flow by variation in the space of planes of curvature from one curved element to another, we modify the trajectories within the flow at the entrance of each curved portion. In fact, we generate a type of trajectory in an element, we then destroy it and regenerate a other type of trajectory in the next element. So very complex trajectories can be produced by this I `ttf 1l ~
WO94 / 1 ~ 70 5 PCT ~ 93/01167 medium and a particle of fluid subjected to such a system will follow a chaotic movement if the rotation of a plane of curvature with respect to another is chosen so appropriate. The curved portion of each of the elements can vary from item to item. So the angle at the center O of each curved portion can be understood between 90 and 270. It will preferably be chosen equal to 120. Conversely, we can decide, so as to standardize production and manufacture of such an installation, that the generating element of chaos be achieved from a combination of portions curves whose planes of curvature are orthogonal to each other and whose radii, center angles, and straight lengths are the same. Therefore, we can mathematically define the coordinates of a point Mi arranged on the fiber central at angle i in a curved element of rank i or at the length Li in a straight element of rank i. By fiber central means the line shown in dotted line at the Figure 1 which joins the successive section centers of a curved portion. This' definition constitutes an aid to realization of the conduit by allowing on the one hand optimization of the route of the conduit, on the other hand a design and automated manufacture of said conduit.
The curved elements have an average radius of curvature R and a angle at the center ~.
We will choose an orthonormal reference of origin O1 designated by (i1, ~
il ~ k1) in which we will determine the coordinates of the point Mi in element i. To do this, we will use the matrices and the vectors defined as follows:
- - _ 0 - CosO SinO 0 CosO SinO
Mgo = 1 oo M-so = -1 0 0 0 SinO Cos ~ 0 -Sin ~ CosO
21 ~ 0 ~ 7. . . . , - ~ ~: -W094 / ~ 70: 6 PCT / FR93 / 01167 0 - 1 0 0 1 0 Cos ~ 0 Sin ~
Rgo = loo R 9o = -1 0 0 Hc = 1 0 0 0 1 0 0 1 -Sin ~ 0 Cos ~
R (1-Cos ~ i) 0 1 0 0 10 Ci = Di = o HD = 0 1 0 R Sin ~ i Li 0 0 Either a convection heat exchanger mixer chaotic with n elements.
The coordinates of point M1 at the angle ~ 1 if element 1 is curve or at length L1 if it is straight are given in the mark (1 ~ kl), by the coordinates of the vector V1 which is equal to C1 if the element is curved or D1 if it is straight.
The coordinates of point M2 at the angle ~ 2 if element 2 is curve or at length L2 if it is straight are given in the reference (01 ~ kl), by the coordinates of the vector T2:
T2 = (V1) L, ~ + M2-1V2 with (V1) L ~ = V1 with ~ and L1 = L
with V2 which is equal to C2 if element 2 is curved and in this case with M2_1 which is equal to:
- Mgo if element 1 is curved and the angle of rotation of element 2 compared to element L is +90 - M_go if element 1 is curved and if the angle of rotation of element 2 compared to element 1 is -90 - Rgo if element 1 is straight and the angle of rotation of element 2 compared to element 1 is +90 - R go if element 1 is straight and if the angle of rotation of element 2 compared to element 1 is -90 - HD if element 1 is straight and the angle of rotation of element 2 compared to element 1 is 0 .
or with V2 which is equal to D2 if element 2 is straight and in this case with M2-1 which is equal to Hc if element 1 is curved _ '~' t. ~
W094 / ~ 270 215 0 4 5 7 PCT ~ 3/01167 and HD if element 1 is straight.
We can therefore express the coordinates of a point Mi arranged on the central fiber of the ith element of the mixer exchanger.
These coordinates are given by those of the vector Ti which is equal to :
Ti = (Vi_1) L ~ + M2,1 x M3,2X- ~ x Mi, i_1 Vi We can therefore express the coordinates of the point Mn by means of a series of matrix equations T1 = V1 T2 = (V1) L, ~ + M2.1 V2 Ti = (Vi-1) L, ~ + M2.1 x M3.2 x .. x Mi i-1 Vi 15 Tn = (Vn-1) L, ~ + M2.1 x M3.2 x .. x Mn, n_1 Vn where the vectors V1, Vi, Vn depend on the shape of the element and the matrices M2,1, Mi, i_1, Mn ~ n-1 of the form of the two elements subscripted and their rotation one relative to the other.
This mathematical solution which will calculate quickly and reliably the equation of the central fiber does can only be applied if the conduit is a combination of curved portions of radius, center angle and lengths identical lines for a given installation. This case does constitutes only one particular example of the invention.
To optimize the mixing effect, the spatial chaos generated in this geometry. We note for this make one of the preferred solutions of the invention consists in having at least four curved portions in series as shown in Figure 1. Obviously, these portions serialized curves can be obtained from a one and the same element formed in one piece or from four elements assembled by connecting means appropriate. In addition, always for reasons of efficiency and ease of implementation, the constituent elements 1, 11, 12, ..., ln of the chaotic element present so
2-1504S7 WO94/L~70 8 PCT~93/01167 ~
obligatoire en section transversale une symétrie centrale. On peut ainsi utiliser des éléments de section circulaire, carrée, hexagonale, etc. Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 1, l'élément chaotique est constitué par une série de quatre éléments cour~es d'angle O 90, de rayon interne 200 mm, de rayon externe 240 mm, de section carrée 40 x 40 mm2, de rapport de courbure 5,5. Les éléments rectilignes associés à
ces éléments courbes ont une longueur de 276 mm et bien sûr des sections identiques aux éléments courbes.
Afin de permettre un montage et un démontage aisés des éléments constitutifs de l'échangeur mélangeur sans augmenter les pertes de charges, on préfèrera utiliser des moyens de liaison des éléments disposés sur au moins l'une des faces externes d'un des éléments au voisinage du plan de joint entre deux éléments adjacents. Ces moyens de liaison peuvent par exemple être des brides. On peut également imaginer un procédé
de liaison par vissage, lesdits éléments étant assemblés par vissage au moyen d'un filetage réalisé sur une demi-hauteur de manière à ne pas modifier la section interne desdits éléments.
On peut encore utiliser comme moyen de liaison des raccords dits raccords à DUDGEONNER, etc.
Bien évidemment, tout autre moyen de liaison approprié peut être utilisé. De même, lorsque l'on veut utiliser cet échangeur mélangeur comme échangeur thermique en vue de chauffer ou de refroidir le fluide s'écoulant à l'intérieur de cet échangeur mélangeur, il convient de chauffer ou de refroidir les parois des éléments constitutifs de l'échangeur mélangeur soit en régime de température imposé ou de flux imposé, soit en régime mixte, par des moyens classiques. On pourra, dans la méthode dite de chauffage par passage direct de courant, faire en sorte que les parois des éléments constitutifs de l'échangeur soient mises sous tension. Un autre procédé de chauffage peut être utilisé. Il s'agit du procédé de chauffage volumique d'un liquide par conduction ~: r ~
21504~7 s WO94/L~70 9 PCT~3/01167 électrique directe. On peut faire en sorte que les parois des éléments constituent des électrodes entre lesquelles on applique une différence de potentiel en reliant celles-ci à
une source d'énergie électrique alternative de manière à créer un champ électrique qui établit un courant de conduction électrique et provoque l'apparition de sources volumiques de chaleur. L'intérêt d'une combinaison d'un tel procédé de chauffage avec le procédé de mélange par convection chaotique permet de pallier les inconvénients des vitesses différentes des particules dans une conduite, ce qui permet d'obtenir un chauffage parfaitement homogène des particules et d'éviter les problèmes d'encrassage résultant du compactage des éléments le long des parois internes des éléments creux constitutifs de l'échangeur mélangeur. Dans ce cas, pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage, si la section des éléments est carrée, les faces des éléments constitutifs des électrodes seront les faces parallèles repérées 3a et 3b dans la figure 1. Par contre, dans le cas d'un conduit à section circulaire, on utilisera une électrode externe constituée par la paroi externe du conduit et une électrode interne distincte disposée centralement à l'intérieur du conduit. On peut bien évidemment, dans un autre mode de réalisation, utiliser des moyens de chauffage dits indirects classiques tels que des résistances électriques.
Quant à l'écoulement du fluide, il peut être libre ou contrôlé. Dans le premier cas il sera réalisé par gravité, dans le second cas, on utilisera des moyens de contrôle du flux tels que des pompes La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un échangeur mélangeur à effet de convection chaotique. Cet échangeur mélangeur est constitué d'une série d'éléments coudés à section circulaire présentant un diamètre intérieur de 23 mm, un diamètre extérieur de 25 mm, un rayon de courbure ~2i-50~57 WO94/L~70 10 PCTn~3/01167 de 126,5 mm, et un angle de 90 entre deux plans de coude adjacents. Dans ce mélangeur particulier, on observe d'une part une efficacité élevée du mélange, d'autre part un régime d'écoulement laminaire, donc une faible dissipation d'énergie, et enfin une réduction des pertes de charge et un ~n; ~11~ de contraintes mécaniques dues à une laminarité de l'écoulement.
L'ensemble de ces propriétés rendent ce procédé de mélange et d'échange thermique efficace avec une faible dissipation d'énergie. De ce fait, cet échangeur mélangeur est approprié à
la fois pour les fluides délicats et les fluides complexes à
longues chaînes moléculaires. En outre, on constate, en comparant l'efficacité d'un échangeur chaotique par rapport à
un échangeur à spirales de même longueur et de même diamètre interne et externe, le fluide utilisé étant de l'eau :
- une augmentation d'efficacité d'échange de chaleur de 15 à
18 %
- une augmentation des pertes de charges nulle ou négligeable.
Par analogie, on peut estimer avec un risque d'erreur quasiment nul qu'on observerait une augmentation des performances de mélange et de chauffage encore plus significative si les fluides étaient plus visqueux.
En conséquence, l'augmentation des pertes de charges est négligeable par rapport à l'augmentation du coefficient d'échange. Ce résultat va à l'encontre de toutes les idées reçues. En effet, on avait jusqu'à ce jour abandonné des constructions géométriques complexes en raison de l'augmentation importante engendrée au niveau des pertes de charges. On constate ici dans ce dispositif de manière surprenante que l'augmentation des pertes de charges est négligeable.
Les applications d'un tel échangeur mélangeur sont nombreuses.
La performance du mélange peut être utilisée dans des mélangeurs classiques en ligne, dans des réacteurs chimi~ues ou pour des dispositifs plus complexes tels que ceux 215~457 WO94/L~70 11 P~T~R93/01167 permettant l'oxygénation du sang, etc.
Cet échangeur mélangeur présente en outre l'avantage de pouvoir fonctionner en circuit ouvert ou fermé. Dans le cas ~ 5 d'un circuit ouvert, le fluide s'écoule d'un point A d'entrée dans les éléments creux jusqu'à un point B de sortie des éléments creux. Le passage du fluide à l'intérieur de ces éléments est dans ce cas unique. A l'inverse, lorsque le circuit est fermé, le fluide réalise au cours de son écoulement une boucle et repasse plusieurs fois dans les mêmes éléments. Ceci permet de limiter l'encombrement d'une telle installation. Dans ce cas, bien évidemment, à un instant donné, on rompt la boucle pour permettre l'évacuation du fluide. 2-1504S7 WO94 / L ~ 70 8 PCT ~ 93/01167 ~
obligatory in cross section a central symmetry. We can thus use elements of circular section, square, hexagonal, etc. So in the example shown in Figure 1, the chaotic element consists of a series of four courtyard elements of angle O 90, of internal radius 200 mm, external radius 240 mm, square section 40 x 40 mm2, curvature ratio 5.5. The rectilinear elements associated with these curved elements have a length of 276 mm and of course sections identical to the curved elements.
In order to allow easy assembly and disassembly of the components of the mixing exchanger without increasing pressure losses, we prefer to use means of connection of the elements arranged on at least one of the faces of one of the elements in the vicinity of the joint plane between two adjacent elements. These connecting means can by example be flanges. We can also imagine a process connecting by screwing, said elements being assembled by screwing by means of a thread made on a half-height of so as not to modify the internal section of said elements.
It is still possible to use as a connection means fittings so-called DUDGEONNER fittings, etc.
Obviously, any other suitable link can to be used. Likewise, when we want to use this mixing exchanger as a heat exchanger for heat or cool the fluid flowing inside this mixing exchanger, it is advisable to heat or cool the walls of the components of the exchanger mixer either in imposed temperature or flow regime imposed, either in a mixed regime, by conventional means. We may, in the so-called direct pass heating method of current, make sure that the walls of the elements components of the exchanger are energized. A
another heating method can be used. It's about method of volume heating of a liquid by conduction ~: r ~
21504 ~ 7s WO94 / L ~ 70 9 PCT ~ 3/01167 direct electric. We can make sure that the walls of elements constitute electrodes between which applies a potential difference by connecting these to an alternative source of electrical energy to create an electric field which establishes a conduction current electric and causes the appearance of volume sources of heat. The advantage of a combination of such a method of heating with the chaotic convection mixing process overcomes the disadvantages of different speeds particles in a pipe, which allows to obtain a perfectly uniform heating of particles and avoid fouling problems resulting from compaction of the elements along the internal walls of the hollow elements constituting the mixing exchanger. In this case, for the implementation of the heating process, if the section of the elements is square, the faces of the constituent elements of the electrodes will be the parallel faces marked 3a and 3b in Figure 1. By against, in the case of a circular cross section, we use an external electrode formed by the wall external of the conduit and a separate internal electrode disposed centrally inside the duct. We can well obviously, in another embodiment, use so-called conventional indirect heating means such as electrical resistances.
As for the flow of the fluid, it can be free or control. In the first case it will be realized by gravity, in the second case, we will use means to control the flows such as pumps FIG. 2 represents an exemplary embodiment of a mixing exchanger with chaotic convection effect. This mixer exchanger consists of a series of elements angled circular section with an inside diameter 23 mm, an outside diameter of 25 mm, a radius of curvature ~ 2i-50 ~ 57 WO94 / L ~ 70 10 PCTn ~ 3/01167 126.5 mm, and an angle of 90 between two elbow planes adjacent. In this particular mixer, we observe on the one hand a high efficiency of the mixture, on the other hand a diet laminar flow, therefore low energy dissipation, and finally a reduction in pressure drops and a ~ n; ~ 11 ~ of mechanical stresses due to laminar flow.
All of these properties make this mixing process and efficient heat exchange with low dissipation of energy. Therefore, this mixing exchanger is suitable for both for delicate fluids and complex fluids to long molecular chains. In addition, we note, in comparing the efficiency of a chaotic exchanger compared to a spiral exchanger of the same length and the same diameter internal and external, the fluid used being water:
- an increase in heat exchange efficiency from 15 to 18%
- zero or negligible increase in pressure losses.
By analogy, we can estimate with a risk of error almost nil that an increase in even better mixing and heating performance significant if the fluids were more viscous.
Consequently, the increase in pressure losses is negligible compared to the increase in the coefficient exchange. This result goes against all ideas received. Indeed, until now, we had abandoned complex geometric constructions due to the significant increase generated in terms of charges. We see here in this device so surprising that the increase in pressure drops is negligible.
The applications of such a mixing exchanger are numerous.
The performance of the mixture can be used in classic mixers online, in chemical reactors or for more complex devices such as those 215 ~ 457 WO94 / L ~ 70 11 P ~ T ~ R93 / 01167 allowing oxygenation of blood, etc.
This mixing exchanger also has the advantage of be able to operate in open or closed circuit. In the case ~ 5 of an open circuit, the fluid flows from an inlet point A
in hollow elements up to a point B exit from hollow elements. The passage of the fluid inside these elements is unique in this case. Conversely, when the circuit is closed, the fluid realizes during its flow a loop and go back several times in the same elements. This makes it possible to limit the size of such a installation. In this case, obviously, at a time given, we break the loop to allow the evacuation of fluid.