FR2495301A1 - Heater or cooler for viscous material - has rotor carrying paddles inside stator with internal paddles to agitate heat carrying fluid - Google Patents

Heater or cooler for viscous material - has rotor carrying paddles inside stator with internal paddles to agitate heat carrying fluid Download PDF

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Abstract

The heat exchanger has a chamber (1) in which is the viscous medium for heating or cooling is kept agitated. It is formed by an annular space between a stator (2) and a coaxial rotor (3). There are lines of alternate paddles (5) (6) inclined to the main axis. These are machined to leave a small play between their ends (7,8) and the stator or rotor. The paddles are moved under the action of a heat carrying fluid flowing between the different circuits against the product movement.

Description

DISPOSITIF POUR LE CHAUFFAGE OU LE REFRC IDISSEMENT DE PRODUITS
VISQUEUX
La présente invention concerne un dispositif permettant d'assurer le chauffage ou le refroidissement de produits visqueux (ou pâteux) tels que par exemple des émulsions ou crèmes cosmetologiques, pharmaceutiques, alimentaires ou similaires...
DEVICE FOR HEATING OR REFRC IDISSEMENT OF PRODUCTS
VISCOUS
The present invention relates to a device for ensuring the heating or cooling of viscous (or pasty) products such as for example emulsions or cosmetic, pharmaceutical, food or similar creams ...

Dans la suite de la description, le dispositif conforme à l'invention sera désigné par l'expression "échangeur de cha leur".  In the following description, the device according to the invention will be designated by the expression "heat exchanger".

Les échangeurs de chaleur classiques, tubulaires ou à plaques, utilisés lors du processus de fabrication des produits du type précité sont des appareils volumineux, complexes et couteux à fabriquer. En effet, pour de tels produits, la vitesse de fluide à la paroi est faible, voire nulle, et le coefficient de transfert est donc faible. Conventional heat exchangers, tubular or plate, used during the manufacturing process of products of the aforementioned type are bulky devices, complex and expensive to manufacture. Indeed, for such products, the fluid speed at the wall is low, or even zero, and the transfer coefficient is therefore low.

Par suite, pour obtenir un bon transfert de chaleur, il a été proposé d'agiter le produit et également de racler les surfaces de l'échangeur de chaleur pour éviter la formation d'un film sur ses parois, film qui ralentirait l'échange thermique. Consequently, to obtain a good heat transfer, it has been proposed to agitate the product and also to scrape the surfaces of the heat exchanger to avoid the formation of a film on its walls, film which would slow the exchange. thermal.

Une solution qui donne de bons résultats consiste à utiliser un échangeur de chaleur constitué d'une pluralité de chambres tubulaires, coaxiales, fixes, dans les parois desquelles circule le fluide thermique. le produit est amené entre ces chambres et il est soumis à une agitation au moyen d'organes rotatifs qui servent également à racler la surface des parois afin de renouveler la couche en contact. One solution which gives good results consists in using a heat exchanger made up of a plurality of tubular, coaxial, fixed chambers, in the walls of which the thermal fluid circulates. the product is brought between these chambers and it is subjected to agitation by means of rotary members which also serve to scrape the surface of the walls in order to renew the layer in contact.

Ces échangeurs de chaleur présentent cependant un certain nombre d'inconvénients par le fait qu'ils sont de conception relativement complexe donc chers et délicats à réaliser et que, par ailleurs, l'organe servant au brassage et au raclage des parois s'use rapidement. Ils sont en outre difficiles à nettoyer et présentent des pertes de charge relativement ipor- tantes. These heat exchangers have however a certain number of drawbacks by the fact that they are of relatively complex design therefore expensive and delicate to produce and that, moreover, the member serving for stirring and scraping of the walls quickly wears out. . They are also difficult to clean and have relatively large pressure drops.

Or, on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la pré- sente invention, un nouveau type d'échangeur de chaleur qui, non seulement surmonte les inconvénients des échangeurs anterieurs connus mais, par ailleurs, permet d'auG,enter dans de grandes proportions à la fois à la surface c'",a anee- > et le coefficient de transfert et ce pour un encombrement équivalent. However, we have found, and this is what is the subject of the present invention, a new type of heat exchanger which not only overcomes the drawbacks of known prior exchangers but, moreover, makes it possible to auG, enter in large proportions both on the surface c '", a anee-> and the transfer coefficient and this for an equivalent bulk.

D'une manière générale, l'invention concerne donc un nouveau type d'échangeur de chaleur comprenant une chambre à l'in- térieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est agité, cet échangeur étant caractérisé par le fait que ladi- te chambre est constituée par l'espace annulaire compris entre un stator et Ü rotor, disposés coaxialement, et qui
- d'une part, sont à double parois pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur chauffant ou refroidissant,
- d'autre part, sont chacun dotés de lignes d'ailettes alternées, inclinées par rapport à l'axe général de la machine, ces ailettes étant usinées pour ne laisser qu'un jeu très fai
Sle entre leurs extrémités libres et le corps (stator ou rotor) qui leur fait face.
In general, the invention therefore relates to a new type of heat exchanger comprising a chamber inside which the product to be heated or cooled is agitated, this exchanger being characterized in that the ladi- te chamber is formed by the annular space between a stator and Ü rotor, arranged coaxially, and which
- on the one hand, are double-walled to allow the circulation of a heating or cooling coolant,
- on the other hand, each have lines of alternating fins, inclined relative to the general axis of the machine, these fins being machined to leave only a very small clearance
Sle between their free ends and the body (stator or rotor) facing them.

Avantageusement, les ailettes précitées sont soumises à l'action du fluide caloporteur circulant entre les parois du rotor et du stator ce qui permet d'améliorer encore le transfert de chaleur. Dans ce cas, les ailettes occupent de préférence toute la hauteur comprise entre les deux parois du rotor et du stator. Pour ameliorer encore le transfert de cette chaleur, il pourrait être envisagé de réaliser des ailettes creuses, le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ces ailettes. Advantageously, the aforementioned fins are subjected to the action of the heat transfer fluid circulating between the walls of the rotor and of the stator, which makes it possible to further improve the heat transfer. In this case, the fins preferably occupy the entire height between the two walls of the rotor and the stator. To further improve the transfer of this heat, it could be envisaged to produce hollow fins, the heat transfer fluid circulating inside these fins.

I1 faut noter qu'un tel mode de réalisation permet d'ac célérer l'échange thermique car, du fait du faible jeu compris entre l'extrémité des ailettes et le corps statorique ou rotorique en regard, il se produit, lorsque le rotor tourne, un mouvement tourbillonnaire du produit et le renouvellement de -la couche limite à la paroi. L'orientation des ailettes con- juguée avec le sens de rotation du rotor permet d'cbtenir un effet de pompage et la circulation du produit. It should be noted that such an embodiment makes it possible to accelerate the heat exchange because, due to the small clearance between the end of the fins and the stator or rotor body opposite, it occurs when the rotor turns. , a swirling movement of the product and the renewal of the boundary layer at the wall. The orientation of the fins combined with the direction of rotation of the rotor makes it possible to obtain a pumping effect and the circulation of the product.

L'invention et les avantages qu'elle apporte seront ce enfant rieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif rais non limitatif et cui est il lustré par les schémas annexes dans lesquels :
- la figure 1 est une -rne e coupe longitudinale d'un ecrngeur ce chaleur réalisé conformément à l'invention,
- la fIgure 2 est une cemi-vue, en coupe transversale selon l'axe AA de la figure 1.
The invention and the advantages that it brings will be this laughing child understood thanks to the example of embodiment given below by way of non-limiting example and that is illustrated by the accompanying diagrams in which:
FIG. 1 is a longitudinal section of a heat exchanger produced in accordance with the invention,
FIG. 2 is a half-view, in cross section along the axis AA in FIG. 1.

Si l'on se reporte aux figurés annexées, l'échangeur thermique conforme à l'invention comprend essentiellement une chambre 1 à l'intérieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est brassé. If reference is made to the appended figures, the heat exchanger according to the invention essentially comprises a chamber 1 inside which the product to be heated or cooled is stirred.

Conformément à l'invention, ladite chambre 1 est constituée par l'espace annulaire compris entre un stator 2 et un rotor 3 montés coaxialement sur un arbre 4. Le stator 2 et le rotor 3 sont à double parois afin de permettre la circulation d'un fluide caloporteur entre cês parois. According to the invention, said chamber 1 is constituted by the annular space between a stator 2 and a rotor 3 mounted coaxially on a shaft 4. The stator 2 and the rotor 3 are double-walled in order to allow the circulation of a heat transfer fluid between these walls.

Par ailleurs, le stator 2 et le rotor 3 sont chacun dotés de lignes d'ailettes 5, 6 alternées, seules quelques-unes de ces ailettes étant représentées par mesure de simplification à la figure 1, ces ailettes étant inclinées par rapport à l'axe général de la machine. Elles sont usinées pour ne laisser qu'un jeu très faible entre leurs extrémités libres 7, 8 et le corps qui leur fait face. Furthermore, the stator 2 and the rotor 3 are each provided with alternating lines of fins 5, 6, only a few of these fins being shown for the sake of simplification in FIG. 1, these fins being inclined relative to the general axis of the machine. They are machined to leave only a very small clearance between their free ends 7, 8 and the body facing them.

Le produit à traiter thermiquement est introduit dans la chambre 1 par un conduit 9 relié à une source d'alimentation et est évacué par le second conduit 10 disposé à l'autre extrémité de l'échangeur thermique. The product to be heat treated is introduced into the chamber 1 through a conduit 9 connected to a power source and is discharged through the second conduit 10 disposed at the other end of the heat exchanger.

Dans le mode de réalisation illustré par les schémas an nexés, le fluide caloporteur est amené par deux circuits différents à l'intérieur des parois du rotor 3 et du stator 2. In the embodiment illustrated by the appended diagrams, the heat transfer fluid is brought by two different circuits inside the walls of the rotor 3 and of the stator 2.

Cette circulation du fluide caloporteur s'effectue de préférence à contre-courant du sens de progression de la matière.This circulation of the heat transfer fluid is preferably carried out against the current of the direction of progression of the material.

La circulation du fluide caloporteur à l'intérieur du stator 2 est obtenue par l'intermédiaire d'un conduit 11 débouchant a l'intérieur de l'espace compris entre les parois de ce stator et le fluide étant évacué par un conduit 12'disposé de l'autre coté de la machine.The circulation of the heat-transfer fluid inside the stator 2 is obtained by means of a conduit 11 opening out inside the space between the walls of this stator and the fluid being evacuated by a conduit 12 'arranged on the other side of the machine.

Pour obtenir la circulation du fluide thermique à l'inte- rieur du rotor 3, les extrémités 13, 14 de ce rotor comportent des canaux, désignés par la référence unique 15, qui débouchent a l'intérieur de l'axe creux 4 et entre les parois du stator 3. Le fluide caloporteur est introduit dans l'axe creux 4 par l'intermédiaire d'un tube interne 16. Un élément d'étanchéité 17 est prévu autour de ce tube 16 pour éviter le retour du fluide caloporteur. Le fluide s'écoule donc à l'intérieur de l'axe creux 4,passe dans les conduits 15, traverse l'espace compris entre les parois du stator 3, à contre-courant du sens d'avance de la matière, et est évacué par l'espace compris entre le tube 16 et l'axe 4. To obtain the circulation of the thermal fluid inside the rotor 3, the ends 13, 14 of this rotor have channels, designated by the unique reference 15, which open inside the hollow axis 4 and between the walls of the stator 3. The heat transfer fluid is introduced into the hollow axis 4 via an internal tube 16. A sealing element 17 is provided around this tube 16 to prevent the return of the heat transfer fluid. The fluid therefore flows inside the hollow axis 4, passes through the conduits 15, crosses the space between the walls of the stator 3, counter-current to the direction of advance of the material, and is evacuated through the space between the tube 16 and the axis 4.

Afin d'avoir un bon échange thermique assuré par une agitation et un renouvellement de la couche limite à la paroi ainsi qu'un effet de pompage, le dispositif conforme à l'invention comporte une pluralité d'ailettes, les unes 5 fixées sur le rotor 3, les autres 6 fixées sur le stator 2. Ces ailettes sont disposées en alternance et leurs estrémifXs libres 7, 8 viennent à proximité de la face (rotor ou stator) située en regard de façon a ne laisser qu'un très faible jeu. Ces ailettes 5, 6 sont inclinées par rapport à l'axe longitudinal de l'échangeur de manière à provoquer une poussée sur la matière. In order to have a good heat exchange ensured by stirring and renewal of the boundary layer at the wall as well as a pumping effect, the device according to the invention comprises a plurality of fins, some 5 fixed on the rotor 3, the others 6 fixed on the stator 2. These fins are arranged alternately and their free estrémifXs 7, 8 come close to the face (rotor or stator) situated opposite so as to leave only a very small clearance These fins 5, 6 are inclined relative to the longitudinal axis of the exchanger so as to cause a thrust on the material.

Avantageusement, quatre séries d'ailettes sont prévues, diame- tralement opposées, sur le rotor et le stator.Advantageously, four series of fins are provided, diametrically opposite, on the rotor and the stator.

Lorsque le rotor 3 tourne, ce mouvement et le faible jeu compris entre l'extrémité des ailettes et le corps statorique ou rotorique en regard entrainent un mouvement turbulent du produit à l'intérieur de la chambre et le renouvellement de la couche limite d la paroi. L'orientation des ailettes, conjuguée avec le sens de rotation du rotor 3 permet d'obtenir un effet de pompage. When the rotor 3 rotates, this movement and the small clearance between the end of the fins and the stator or rotor body opposite cause a turbulent movement of the product inside the chamber and the renewal of the boundary layer of the wall. . The orientation of the fins, combined with the direction of rotation of the rotor 3 provides a pumping effect.

De préférence, ainsi que cela est représenté aux schémas annexés, les ailettes 5, 6 sont également prolongées à l'intérieur de l'espace compris entre les parois du stator et du rotor et sont donc'directement soumises à l'action du fluide caloporteur. On comprend donc facilement que, dans ce mode de réalisation, l'échange thermique est encore amélioré. Preferably, as shown in the attached diagrams, the fins 5, 6 are also extended inside the space between the walls of the stator and the rotor and are therefore directly subjected to the action of the heat transfer fluid. . It is therefore easily understood that, in this embodiment, the heat exchange is further improved.

Par rapport aux dispositifs antérieurs un tel échangeur de chaleur permet non seulement le transfert thermique dans des produits à très fortes viscosités mais assure également une très grande surface d'échange donc un transfert thermique important dans un faible volume. En effet, à titre comparatif, pour un échangeur de chaleur conventionnel comportant deux chambres tubulaires fixes, une interne ayant un diamètre de 100 millimètres et une externe ayant un diamètre de 200 millimètres, la longueur de l'ensemble étant de 1000 millimètres, on aurait une surface de contact d'environ 1 m2. Compared to previous devices, such a heat exchanger not only allows thermal transfer in products with very high viscosities but also ensures a very large exchange surface, therefore a significant thermal transfer in a small volume. In fact, for comparison, for a conventional heat exchanger comprising two fixed tubular chambers, one internal having a diameter of 100 millimeters and one external having a diameter of 200 millimeters, the length of the assembly being 1000 millimeters, we would have a contact area of approximately 1 m2.

En réalisant un échangeur de chaleur conforme à l'invention dont le rotor 3 et le stator 2 ont les mêmes dimensions que les chambres précitées mais qui comporte, quatre séries d'ai lettes d'une surface totale d'environ.0,5 m2, m2, la surface tota- le de contact avec la matière sera non pas d'environ 1 m2 mais de 1,5 m2. Cette simple comparaison montre bien les avantages apportés par le dispositif conforme à l'invention. By producing a heat exchanger according to the invention, the rotor 3 and the stator 2 of which have the same dimensions as the above-mentioned chambers but which comprises, four series of fins with a total surface of approximately 0.5 m2. , m2, the total contact surface with the material will not be about 1 m2 but 1.5 m2. This simple comparison clearly shows the advantages provided by the device according to the invention.

Un tel échangeur de chaleur sera bien entendu réalisé à partir de matériaux permettant une bonne transmission des calories par exemple, à partir de tous types d'acier répondant aux normes de qualite alimentaire, cosmétologique, ou pharmaceutique. Such a heat exchanger will of course be made from materials allowing good transmission of calories, for example, from all types of steel meeting the standards of food, cosmetic, or pharmaceutical quality.

I1 peut être conçu pour réaliser en ligne ou en recyclage sur cuves des phases de chauffage ou refroidissement de tous produits visqueux même fragiles comme des mulsions ou des crèmes. It can be designed to carry out online or by recycling on tanks the heating or cooling phases of all viscous products, even fragile ones, such as emulsions or creams.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation donné précédemment mais elle en couvre également toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi,il pourrait être envisagé de réaliser un échangeur de chaleur comportant non pas seulement un rotor et un stator mais, par exemple, quatre éléments différents formant alternativement rotor et stator.  Of course, the invention is not limited to the embodiment given above but it also covers all the variants produced in the same spirit. Thus, it could be envisaged to produce a heat exchanger comprising not only a rotor and a stator but, for example, four different elements alternately forming rotor and stator.

Claims (3)

REVENDICATIONS rCLAIMS r 1/ Echangeur de chaleur comprenant une chambre (1) à l'in térieur de laquelle le produit à réchauffer ou à refroidir est agité caractérisé par le fait que ladite chambre (1) est cons tituée par l'espace annulaire compris entre un stator (2) et un rotor (3) coaxiaux et qui 1 / Heat exchanger comprising a chamber (1) inside which the product to be heated or cooled is agitated, characterized in that said chamber (1) is constituted by the annular space comprised between a stator ( 2) and a rotor (3) coaxial and which - d'une part, sont à double parois pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur chauffant ou refroidissant, - on the one hand, are double-walled to allow the circulation of a heating or cooling coolant, - d'autre part, sont chacun dotés de lignes d'ailettes alternées (5), (6) inclinées par rapport à l'axe général de la machine,ces ailettes (5), (6) étant usinées pour ne laisser qu'un jeu très faible entre leurs extrémités libres (7) , (8) et le corps (stator ou rotor) qui leur fait face. - on the other hand, are each provided with alternating fin lines (5), (6) inclined relative to the general axis of the machine, these fins (5), (6) being machined to leave only very little play between their free ends (7), (8) and the body (stator or rotor) facing them. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac térisé par le fait que les ailettes (5), (6) sont soumises à l'action d'un fluide caloporteur circulant entre les parois du stator (2) et du rotor (3). 2 / heat exchanger according to claim 1, charac terized by the fact that the fins (5), (6) are subjected to the action of a heat transfer fluid flowing between the walls of the stator (2) and the rotor (3 ). 3/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le fluide caloporteur est amené par deux circuits différents à l'intérieur des parois du rotor (3) et du stator (2), la circulation dudit fluide caloporteur s'effectuant à contre-courant du sens de progression de la matière.  3 / Heat exchanger according to one of claims 1 and 2, characterized in that the heat transfer fluid is brought by two different circuits inside the walls of the rotor (3) and the stator (2), the circulation of said heat transfer fluid carried out against the current of the direction of progression of the material.
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