Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~ WO94/L~70 1 2 1 S O 15 7 PCTn~93/01167
1 0
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.
1 0
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.
1 0
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 ~
21S04S7
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
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.
1 0
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
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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.
