L'origine des échangeurs de chaleur à surface raclée

L'origine des échangeurs de chaleur à surface raclée

L'origine et le développement des échangeurs de chaleur à surface raclée remontent au début du XXe siècle. Leur invention ne fut pas un succès immédiat, mais plutôt une réponse aux limitations inhérentes aux échangeurs de chaleur traditionnels face à certains matériaux.

Origine du noyau : années 1920-1930

Le concept et la conception initiale des échangeurs de chaleur à surface raclée ont été principalement élaborés durant cette période, sous l'impulsion de l'industrie alimentaire, notamment pour la production de margarine et de crème glacée.

1. Problèmes à résoudre :

o Matériaux à haute viscosité : des matériaux comme le beurre, la préparation pour crème glacée et la confiture sont extrêmement visqueux et ont une faible fluidité dans les échangeurs de chaleur tubulaires ou à plaques traditionnels, ce qui les obstrue facilement et entraîne une très faible efficacité de transfert de chaleur.

Sensibilité au cisaillement : La formation de cristaux de graisse ou de glace dans ces matériaux exige un contrôle précis. Un refroidissement intense ou irrégulier peut entraîner une texture granuleuse et un goût désagréable.

o Encrassement et cokéfaction : les matériaux contenant du sucre ou des protéines ont tendance à se solidifier et à caraméliser sur les surfaces chauffantes, ce qui affecte non seulement le transfert de chaleur, mais provoque également une détérioration du produit et des difficultés de nettoyage des équipements.

2. Pionniers de la technologie :

L'un des premiers brevets concernant les échangeurs de chaleur à surface raclée remonte à la fin des années 1920 ou au début des années 1930. Par exemple, vers 1928, les ingénieurs de la société Gerhard en Allemagne (qui fera plus tard partie du groupe APV) ont réalisé un travail de pionnier dans ce domaine.

Un autre personnage clé fut C.O. (Charlie) Linn, qui conçut le premier échangeur de chaleur à surface raclée commercialisé avec succès pour la division Votator de la Girdler Corporation aux États-Unis (vers 1933-1935). Cet appareil fut initialement inventé pour la production en continu de margarine. Le nom « Votator » devint même, pendant longtemps, synonyme d'échangeur de chaleur à surface raclée.

Points novateurs du principe de fonctionnement

La conception de base des échangeurs de chaleur à surface raclée permet de résoudre ingénieusement les problèmes susmentionnés :

• Action de raclage : À l’intérieur du cylindre d’échange thermique, un rotor muni de racleurs tourne à grande vitesse. Sous l’effet de la force centrifuge ou de ressorts, les racleurs adhèrent étroitement à la paroi du cylindre, raclant constamment le film de matériau présent sur la paroi interne.

• Quatre avantages majeurs :

1. Renouvellement continu de la surface d'échange thermique : empêche l'adhérence et l'encrassement des matériaux, maintenant ainsi une efficacité d'échange thermique extrêmement élevée.

2. Mélange et cisaillement uniformes : assure un chauffage et un refroidissement uniformes de l'ensemble du matériau et fournit une force de cisaillement contrôlable, ce qui est crucial pour le processus de cristallisation (tel que la cristallisation des graisses et la formation de cristaux de glace).

3. Gestion des viscosités extrêmement élevées : L'action mécanique de raclage et de poussée lui permet de traiter des fluides pâteux, crémeux et même granuleux que les échangeurs de chaleur traditionnels ne peuvent pas gérer.

4. Temps de séjour extrêmement court : Le matériau traverse l'échangeur de chaleur en un film mince, ce qui le rend particulièrement adapté aux matériaux thermosensibles et maximise la préservation de la saveur, de la couleur et des valeurs nutritionnelles du produit.

Développement et popularisation

• Années 1940-1950 : Avec l’accélération de l’industrialisation alimentaire avant et après la Seconde Guerre mondiale, les échangeurs de chaleur à surface raclée se sont rapidement répandus dans les industries laitière, de la confiture et des sauces. La congélation continue de la crème glacée a constitué une autre application majeure.

• Des années 1960 à nos jours : leurs domaines d’application se sont étendus de l’industrie alimentaire aux industries chimique, pharmaceutique, pétrochimique et des polymères plastiques. Elles sont utilisées pour la manipulation de fluides complexes tels que les polymères fondus, la paraffine, l’asphalte, les cosmétiques et les produits pharmaceutiques.

• Progrès technologiques : Les échangeurs de chaleur modernes à surface raclée ont connu des progrès significatifs en matière de matériaux (comme l'utilisation de revêtements durs résistants à l'usure et à la corrosion), de technologie d'étanchéité, de contrôle automatisé (contrôle précis de la température, de la pression et de la vitesse) et de conception modulaire.

Résumé

L'origine de l'échangeur de chaleur à racleur remonte précisément aux années 1920 et 1930. Il a été inventé pour répondre aux exigences des procédés de chauffage, de refroidissement, de cristallisation et de stérilisation en continu de matériaux à haute viscosité et thermosensibles dans l'industrie agroalimentaire. Son invention a constitué une étape majeure dans l'histoire des équipements de l'industrie de transformation, faisant évoluer la simple fonction d'« échange thermique » vers une opération combinée d'« échange thermique et de traitement mécanique ». Aujourd'hui encore, il joue un rôle irremplaçable dans de nombreux secteurs industriels.