EP1367858B1 - Installation de chauffage de produits, notamment visqueux - Google Patents

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EP1367858B1
EP1367858B1 EP20020291336 EP02291336A EP1367858B1 EP 1367858 B1 EP1367858 B1 EP 1367858B1 EP 20020291336 EP20020291336 EP 20020291336 EP 02291336 A EP02291336 A EP 02291336A EP 1367858 B1 EP1367858 B1 EP 1367858B1
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EP
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conduit
electrodes
electrode
product
heating
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EP1367858A1 (fr
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Christian Aussudre
Marc Berthou
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Electricite de France SA
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Electricite de France SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/60—Heating arrangements wherein the heating current flows through granular powdered or fluid material, e.g. for salt-bath furnace, electrolytic heating

Definitions

  • the present invention relates to a product heating installation, including viscous, comprising at least one heating pipe for the flow of said products.
  • This may be in particular food products that must be subjected to cooking, sterilization, pasteurization, thermization or any other essential treatment in food processing. It could also be the treatment of effluents for the valorization of certain by-products.
  • the treatment must be carried out as efficiently as possible, and the quality of the products must remain excellent, a goal sought in all agri-food industries, where the regulations and vitamin content, texture, color of products etc.
  • the product is continuously heated, the product flowing continuously in a heat-conducting wall pipe heated from the outside.
  • the velocity of the product however remains zero on the wall, and its laminar flow is the cause of a bad transmission of heat and a great heterogeneity in the heating of the product, which is substantially less important in the center of the flow than 'in the vicinity of the wall. This is all the more annoying that the wall temperature must be relatively high because of the low heat exchange coefficient.
  • the heating time is also important, the transferable power per unit of power being low.
  • FR A 2 741 228 a product heating system, in particular viscous, comprising at least one heating pipe intended to be traversed by a flow of said products, and in accordance with the preamble of claim 1.
  • the products flow continuously in the longitudinal direction of the pipe, and are heated continuously by conduction of electric current through the product between the electrodes which are transverse electrodes fixed inside the pipe.
  • the electrodes which are transverse electrodes fixed inside the pipe.
  • perforated electrodes fixed in planes transverse to the pipe to obtain obstacles to the flow of product and to mix it, the transverse arrangement of the electrodes along the pipe being essential according to FR A 2 741 228.
  • the object of the present invention is to overcome these disadvantages of the prior art, and to homogenize much more heat treatment of the product, thus increasing the quality of the treated product, without having to increase the heating power involved for a given flow rate.
  • volumes of the product to be heated are sequentially fed between the electrodes to remain there for a determined ohmic heating time, the current passing between the electrodes through its entire section the volume of product introduced and immobilized together, then what volume of the treated product is removed from said pipe.
  • Ohmic and voluminal heating is thus carried out in the mass of the product and perfectly homogeneous, since the product does not flow into the pipe during its treatment, and there is no hot wall.
  • the product only flows during the introduction or evacuation of the pipe. It will therefore be possible to use less heating energy than in known installations, while obtaining a better result, because of the reduction in losses. While the product is stopped in the pipe during its treatment, but by implementing several parallel-fed pipes operating with a certain offset, we can obtain a high flow, with a flow of the treated product virtually uninterrupted.
  • the installation may still be in accordance with claim 2.
  • each electrode is mechanically connected to a motor adapted to rotate it between its open and closed positions, and second electrically to the power source via a connection terminal, these mechanical and electrical connections being provided by sealed passage passages through the wall of the pipe.
  • the pipe will consist of several tubular sections aligned so as to constitute a continuous and smooth passage, two adjacent sections being separated by a tubular connection section of electrically insulating material and constituting a housing for an intermediate electrode, which link section will be connected to the two adjacent tubular sections by fixing clamps, sections of the same type, constituting electrode housings, being provided at both ends of said pipe and being connected by flanges to pipes with metal fittings, respectively inlet and Release.
  • each pipe will consist of two successive tubular sections and will consequently comprise three electrodes respectively disposed in three connecting sections.
  • the intermediate electrode will then advantageously be connected to a phase of a single-phase alternating current source via an isolating transformer, the end electrodes being connected to the other phase as well as to the earth.
  • a three-phase supply with four electrodes defining three heating sections, the end electrodes being connected to the ground.
  • the pipe is then constituted of three successive tubular sections and consequently comprises four electrodes respectively arranged in four connecting sections, the two intermediate electrodes being connected to the phases of a three-phase AC source via an isolation transformer, and both end electrodes are connected to the ground.
  • this installation will include several pipes supplied with product volumes. in parallel and with staggered heating cycles, so that a pipe is in phase of supply or discharge product while another pipe will be in the heating phase.
  • the power supply may be common to the various pipes, by implementation of a power unit connecting in turn the power supply on the pipe to be put in heating phase.
  • the heat treatment pipe of the plant comprises two tubular sections 1 with round cross section, aligned and separated from each other by an intermediate connecting section 2i of the same section and constituting a housing for a disk-shaped electrode circular thick and rounded edges, corresponding diameter, referenced in 3.
  • the material constituting the sections and sections of the pipe is an electrically insulating material having good mechanical strength in temperature, such as for example polypropylene usable up to temperatures of the order of 100 ° C, or the PEEK usable up to 200 to 250 ° C. It is also possible to envisage using ceramics, glass or a resin composite impregnated with glass fibers.
  • In 4 is schematized a cylinder or other engine adapted to pivot on command the electrode around its vertical diametral axis, to bring it to the open position shown in the figure, for which the electrode disc 3 is parallel to the axis of the pipe and allows the passage of products, either in a closed position for which the electrode 3 is brought into a position perpendicular to this axis and completely closes the pipe.
  • In 5 is also shown schematically an electrical connection terminal for providing the electrical connection between the electrode 3 and an AC power source, not shown. Crossings of the wall of the pipe by these mechanical and electrical connections are provided by sealed passages 6m and 6e of any known type.
  • the sections 1 are connected to two other sections exactly similar and serving as housing for similar electrodes and connected in the same way as in the intermediate section; it is an inlet section 2e and an outlet section 2s, themselves connected to short stainless steel pipes equipped with standard metal connectors 7.
  • the connections between sections 1 and sections on the one hand between end sections 2e, 2i and connections 7, on the other hand, are provided by flanges 8.
  • the central terminal 5 is connected to a phase of the AC network. single phase through an isolating transformer to prevent current looping with the distributor network, and the end terminals are connected to the other phase and to the earth.
  • a measuring toroid can be inserted in this connection in order to control the leakage current and to be able to cut the power supply if a predetermined threshold is exceeded, this for safety.
  • the entire installation is fixed horizontally on a base of insulating material, and a cover (also not shown) covers the entire work area to avoid operator contact with the live parts during operation.
  • the geometric and electrical characteristics of the installation will be determined from a specification specifying the initial and final temperatures of the product, its electrical conductivities at these temperatures and the hourly flow of the product, number of hourly operations. or heating time. Sizing shall be calculated taking into account, in particular, the maximum voltage applicable to the electrodes and the permissible current density at their surface which, with certain materials, may be of the order of 2500 A / m 2 continuously, with a frequency of 50 Hz.
  • the material of the electrodes will be chosen according to the nature of the treated product, the current density and its frequency. In principle, there should be no corrosion or electrochemical reaction with the product. Such materials are proposed in French Patent No. 98 03 154 in the name of the Applicant.
  • the present invention has the advantage of allowing the heating of highly viscous and heat-sensitive products, and eliminating many of the disadvantages of conventional installations, regardless of the viscosity of the product. There is no risk of overheating, in the absence of a hot wall, and the heating of the product has excellent homogeneity and can be relatively fast, even with reduced electrical energy. It should be noted that the products should preferably have an electrical conductivity less than 20 S / m.

Landscapes

  • Control Of Resistance Heating (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Description

  • La présente invention concerne une installation de chauffage de produits, notamment visqueux, comprenant au moins une conduite chauffante pour l'écoulement desdits produits. Il pourra s'agir en particulier de produits alimentaires qui doivent être soumis à des traitements de cuisson, stérilisation, pasteurisation, thermisation ou tout autre traitement essentiel dans la transformation des aliments. Il pourrait s'agir aussi du traitement d'effluents pour la valorisation de certains sous-produits.
  • Lors de ces opérations, le traitement doit être réalisé de la façon la plus efficace possible, et la qualité des produits devra rester excellente, but recherché dans toutes les industries agro-alimentaires, où l'on doit respecter les règlements et prescriptions en matière de teneur en vitamines, texture, couleur des produits etc.
  • Dans certaines installations connues, on effectue un chauffage en continu du produit, celui-ci s'écoulant sans interruption dans une conduite à paroi conductrice de la chaleur et chauffée de l'extérieur. La vitesse du produit reste cependant nulle sur la paroi, et son écoulement laminaire est la cause d'une mauvaise transmission de la chaleur et d'une hétérogénéité importante dans le chauffage du produit, qui est sensiblement moins important au centre de l'écoulement qu'au voisinage de la paroi. Ceci est d'autant plus gênant que la température de paroi doit être relativement élevée du fait du faible coefficient d'échange thermique. En outre, le temps de chauffage est également important, la puissance transférable par unité de puissance étant faible.
  • Pour remédier à certains de ces inconvénients, il a déjà été proposé par FR A 2 741 228 une installation de chauffage de produits, notamment visqueux, comprenant au moins une conduite chauffante destinée à être parcourue par un écoulement desdits produits, et conforme au préambule de la revendication 1.
  • Dans cette installation connue, les produits s'écoulent sans interruption dans la direction longitudinale de la conduite, et sont chauffés en continu par conduction de courant électrique à travers le produit entre les électrodes qui sont des électrodes transversales fixées à l'intérieur de la conduite, et en forme d'étoile, ou, de façon équivalente, formées chacune d'une série de barreaux ou encore d'une grille, disposée transversalement dans la conduite. Il suffit en fait de disposer d'électrodes ajourées fixées dans des plans transversaux à la conduite pour obtenir des obstacles au flux de produit et le mélanger, la disposition transversale des électrodes le long de la conduite étant primordiale selon FR A 2 741 228.
  • Mais une telle installation connue ne supprime cependant pas tous les inconvénients précités.
  • Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients de la technique antérieure, et d'homogénéiser beaucoup plus le traitement thermique du produit, donc d'augmenter la qualité du produit traité, sans devoir augmenter la puissance de chauffage mise en jeu pour un débit donné.
  • A cet effet, une installation conforme à la présente invention est réalisée selon la partie caractérisante de la revendication 1. Des volumes du produit à chauffer sont amenés séquentiellement entre les électrodes pour y séjourner pendant un temps de chauffage ohmique déterminé, le courant passant entre les électrodes en traversant dans toute sa section le volume de produit introduit et immobilisé entre elles, ensuite de quoi le volume du produit traité est évacué de ladite conduite.
  • On effectue ainsi un chauffage ohmique et volumique dans la masse du produit et de façon parfaitement homogène, puisque le produit ne s'écoule pas dans la conduite pendant son traitement, et qu'il n'y a pas de paroi chaude. Le produit ne s'y écoule que pendant son introduction ou son évacuation de la conduite. On pourra donc mettre en jeu une énergie de chauffage moins importante que dans les installations connues, tout en obtenant un résultat meilleur, du fait de la diminution des pertes. Certes le produit est stoppé dans la conduite pendant son traitement, mais en mettant en oeuvre plusieurs conduites alimentées en parallèle et fonctionnant avec un certain décalage, on pourra obtenir un débit important, avec un écoulement du produit traité pratiquement ininterrompu.
  • L'installation pourra encore être conforme à la revendication 2.
  • On peut encore prévoir que chaque électrode est reliée d'une part mécaniquement à un moteur propre à la faire pivoter entre ses positions d'ouverture et de fermeture, et d'autre part électriquement à la source d'alimentation électrique par l'intermédiaire d'une borne de raccordement, ces liaisons mécanique et électrique étant assurées par des passages étanches de traversée de la paroi de la conduite.
  • Avantageusement, la conduite sera constituée de plusieurs sections tubulaires alignées de sorte à constituer un passage continu et lisse, deux sections voisines étant séparées par un tronçon de liaison tubulaire en matériau électriquement isolant et constituant un logement pour une électrode intermédiaire, lequel tronçon de liaison sera relié aux deux sections tubulaires voisines par des brides de fixation, des tronçons du même type, constituant des logements à électrode, étant prévus aux deux extrémités de ladite conduite et étant reliés par des brides à des tuyauteries à raccords métalliques, respectivement d'entrée et de sortie.
  • On pourra prévoir par exemple que chaque conduite sera constituée de deux sections tubulaires successives et comportera par suite trois électrodes disposées respectivement dans trois tronçons de liaison. L'électrode intermédiaire sera alors avantageusement raccordée à une phase d'une source de courant alternatif monophasé par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement, les électrodes d'extrémité étant reliées à l'autre phase ainsi qu'à la terre. On pourra aussi utiliser, pour les puissances importantes, une alimentation en triphasé, avec quatre électrodes définissant trois sections de chauffage, les électrodes extrêmes étant raccordées à la terre. En d'autres termes, la conduite est alors constituée de trois sections tubulaires successives et comporte par suite quatre électrodes disposées respectivement dans quatre tronçons de liaison, les deux électrodes intermédiaires étant raccordées aux phases d'une source de courant alternatif triphasé par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement, et les deux eclectrodes d'extrémité étant reliées à la terre.
  • Afin d'augmenter le débit d'une installation conforme à l'invention et de faire en sorte que le produit traité s'en écoule de façon quasi continue, il sera encore avantageux de prévoir que cette installation comportera plusieurs conduites alimentées en volumes de produit en parallèle et avec des cycles de chauffage décalés, de sorte qu'une conduite soit en phase d'alimentation ou d'évacuation en produit tandis qu'une autre conduite sera en phase de chauffage. L'alimentation électrique pourra être commune aux différentes conduites, par mise en oeuvre d'un organe de puissance connectant à tour de rôle l'alimentation sur la conduite qui doit être mise en phase de chauffage.
  • Un mode d'exécution de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple nullement limitatif avec référence à la figure unique du dessin ci-annexé qui représente de façon schématique une installation à trois électrodes et deux sections.
  • La conduite de traitement thermique de l'installation comporte deux sections tubulaires 1 à section transversale ronde, alignées et séparées l'une de l'autre par un tronçon de liaison intermédiaire 2i de même section et constituant un logement pour une électrode en forme de disque circulaire épais et à bords arrondis, de diamètre correspondant, référencée en 3. La matière constituant les sections et tronçons de la conduite est une matière électriquement isolante présentant une bonne tenue mécanique en température, telle que par exemple le polypropylène utilisable jusqu'à des températures de l'ordre de 100°C, ou le PEEK utilisable jusqu'à 200 à 250 °C. On peut aussi envisager d'utiliser de la céramique, du verre ou encore un composite en résine imprégnée de fibres de verre. En 4 on a schématisé un vérin ou autre moteur propre à faire pivoter sur commande l'électrode autour de son axe diamétral vertical, pour l'amener soit dans la position d'ouverture représentée sur la figure, pour laquelle le disque d'électrode 3 est parallèle à l'axe de la conduite et autorise le passage des produits, soit dans une position de fermeture pour laquelle l'élcctrode 3 est amenée dans une position perpendiculaire à cet axe et obture complètement la conduite. En 5 on a représenté aussi schématiquément une borne de raccordement électrique pour assurer la liaison électrique entre l'électrode 3 et une source d'alimentation en courant alternatif, non représentée. Les traversées de la paroi de la conduite par ces liaisons mécanique et électrique sont assurées par des passages étanches 6m et 6e de tout type connu.
  • A l'opposé du tronçon intermédiaire 2i, les sections 1 sont raccordées à deux autres tronçons exactement semblables et servant de logements à des électrodes semblables et connectées de la même manière que dans le tronçon intermédiaire ; il s'agit d'un tronçon d'entrée 2e et d'un tronçon de sortie 2s, eux-mêmes reliés à de courtes tuyauteries en acier inoxydable équipées de raccords métalliques normalisés 7. Les connexions entre sections 1 et tronçons d'une part, entre tronçons extrêmes 2e, 2i et raccords 7 d'autre part, sont assurées par des brides 8.
  • Au point de vue du schéma électrique (non représenté), la borne 5 centrale est raccordée à une phase du réseau de courant alternatif monophasé par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement afin d'éviter tout bouclage de courant avec le réseau distributeur, et les bornes 5 d'extrémité sont reliées à l'autre phase ainsi qu'à la terre. Un tore de mesure peut être inséré dans cette liaison afin de contrôler le courant de fuite et de pouvoir couper l'alimentation en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé, ceci par sécurité. L'ensemble de l'installation est fixé horizontalement sur un socle en matière isolante, et un capot (également non représenté) recouvre toute la zone de travail pour éviter un contact des opérateurs avec les parties sous tension lors du fonctionnement.
  • Ce fonctionnement de l'installation, dont les différentes phases peuvent être gérées par un automate, est le suivant
    • commande de la rotation des électrodes 3 pour les amener dans une position d'ouverture parallèle à l'axe de la conduite de traitement;
    • introduction, par l'extrémité d'entrée de la conduite, du produit à traiter grâce à un système de pompage et éventuellement à un gaveur en cas de produit extrêmement visqueux ;
    • commande de la rotation des électrodes 3 pour les amener dans une position de fermeture perpendiculaire à l'axe de la conduite, déterminant ainsi deux sections de chauffage identiques ;
    • mise en tension des électrodes pendant le temps nécessaire à la montée en température jusqu'à la valeur choisie, puis coupure de l'alimentation, éventuellement après un palier de maintien en température ;
    • rotation en sens inverse des électrodes pour les ramener en position d'ouverture ; et
    • remise en marche du système de pompage, le produit arrivant dans la conduite chassant le produit traité qui en est ainsi évacué.
  • Un nouveau cycle identique au précédent peut alors être réalisé.
  • On comprend que les caractéristiques géométriques et électriques de l'installation seront déterminées à partir d'un cahier des charges spécifiant les températures initiale et finale du produit, ses conductivités électriques à ces températures ainsi que le débit horaire du produit, nombre d'opérations horaires ou temps de chauffage. Les dimensionnements seront calculés en prenant en compte notamment la tension maximale applicable sur les électrodes et la densité de courant admissible à leur surface qui, avec certains matériaux, pourra être de l'ordre de 2500 A/m2 en continu, avec une fréquence de 50 Hz.
  • Le matériau des électrodes sera choisi en fonction de la nature du produit traité, de la densité de courant et de sa fréquence. Il ne devra y avoir en principe ni corrosion ni réaction électrochimique avec le produit. De tels matériaux sont proposés dans le brevet français n° 98 03 154 au nom de la demanderesse.
  • La présente invention a l'avantage de permettre le chauffage de produits très visqueux et thermosensibles, et d'éliminer un grand nombre des inconvénients des installations classiques, quelle que soit la viscosité du produit. Il n'y a pas risque de surchauffe, en absence de paroi chaude, et le chauffage du produit présente une excellente homogénéité et peut être relativement rapide, même avec une énergie électrique mise en jeu réduite. Il est à noter que les produits devront avoir de préférence une conductivité électrique inférieure à 20 S/m.
  • Enfin et comme déjà indiqué plus haut, on peut augmenter encore le débit d'une telle installation en mettant en oeuvre plusieurs conduites alimentées, au point de vue produit, en parallèle, avec décalage dans le temps des différentes phases de fonctionnement, une conduite étant par exemple en phase d'introduction ou d'évacuation du produit tandis qu'une autre sera en phase de chauffage. Ces phases seront de préférence commandées par un automate ou autre organe de commande, lequel pourra aussi connecter automatiquement, par l'intermédiaire d'un organe de puissance, l'alimentation en courant alternatif sur les électrodes de la seule conduite qui sera en phase de chauffage. De la sorte on pourra rendre pratiquement continue la production de produit traité, sans augmenter le besoin en puissance électrique installée.

Claims (8)

  1. Installation de chauffage de produits, notamment visqueux, comprenant au moins une conduite chauffante destinée à être parcourue par un écoulement desdits produits, ladite conduite comportant au moins une section tubulaire (1) en matériau électriquement isolant, à chacune des deux extrémités de laquelle est montée à demeure l'une respectivement de deux électrodes (3) reliées (5) à une source d'alimentation en courant électrique destiné à passer entre les électrodes (3), en traversant, dans toute sa section, un volume de produit à chauffer amené entre lesdites électrodes (3), caractérisée en ce que les deux extrémités de ladite section tubulaire (1) sont obturables chacune par l'électrode (3) correspondante, qui est mobile entre deux positions, dont une première est une position d'ouverture dans laquelle ladite électrode (3) libère le passage dans ladite conduite pour l'introduction d'un volume de produit dans ladite section tubulaire (1), avant chauffage, ou l'évacuation d'un volume de produit, après chauffage, et dont la deuxième position est une position de fermeture de ladite conduite, pour obturer ladite section tubulaire (1) en immobilisant entre les deux électrodes (3) un volume de produit pendant une opération de chauffage ohmique.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite section tubulaire (1) de la conduite a une section transversale ronde, et chaque électrode (3), en forme de disque circulaire de diamètre correspondant au diamètre de ladite section transversale ronde, est mobile en rotation autour d'un axe diamétral dudit disque circulaire de l'électrode (3) entre ladite position d'ouverturedans laquelle ledit disque circulaire de l'électrode (3) est parallèle à l'axe de la conduite, et ladite position de fermeture dans laquelle ledit disque circulaire de l'électrode (3) est perpendiculaire audit axe de la conduite.
  3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque électrode (3) est reliée d'une part mécaniquement à un moteur (4) propre à la faire pivoter entre ses positions d'ouverture et de fermeture, et d'autre part électriquement à la source d'alimentation électrique par l'intermédiaire d'une borne de raccordement (5), ces liaisons mécanique et électrique étant assurées par des passages étanches (6m, 6e) de traversée de la paroi de la conduite.
  4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la conduite est constituée de plusieurs sections tubulaires alignées (1) de sorte à constituer un passage continu et lisse, deux sections tubulaires voisines étant séparées par un tronçon de liaison (2i) tubulaire en matériau électriquement isolant et constituant un logement pour une électrode (3) intermédiaire, lequel tronçon de liaison (2i) est relié aux deux sections tubulaires voisines (1) par des brides de fixation (8), des tronçons (2e, 2s) du même type, constituant des logements à électrode, étant prévus aux deux extrémités de ladite conduite et étant reliés par des brides (8) à des tuyauteries à raccords métalliques (7), respectivement d'entrée et de sortie.
  5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la conduite est constituée de deux section tubulaires (1) successives et comporte trois électrodes (3) disposées respectivement dans trois tronçons de liaison (2e, 2i, 2s), et dont l'électrode (3) intermédiaire est raccordée à une phase d'une source de courant alternatif monophasé par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement, les électrodes (3) d'extrémité étant reliées à l'autre phase ainsi qu'à la terre.
  6. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la conduite est constituée de trois sections tubulaires (1) successives et comporte quatre électrodes (3) disposées respectivement dans quatre tronçons de liaison (2), les deux électrodes (3) intermédiaires étant raccordées aux phases d'une source de courant alternatif triphasé par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement, et les deux électrodes (3) d'extrémité étant reliées à la terre.
  7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs conduites alimentées en volumes de produit en parallèle et ayant des cycles de chauffage décalés, de sorte qu'une conduite est en phase d'alimentation ou d'évacuation en produit tandis qu'une autre conduite est en phase de chauffage.
  8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites conduites sont constituées de polypropylène, de PEEK, de céramique, de verre ou d'un composite en résine imprégnée de fibres de verre ou analogues.
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