Brevet FR2125204A1 — publié le 19720929

La présente invention concerne un procédé de congélation d'un produit initialement sous forme liquide et plus particulièrement d'élaboration de paillettes de produits congelés, mettant en oeuvre un cylindre en rotation autour de son axe, et dont la face externe se présente successivement devant un poste de dépôt 5 en couche mince dudit liquide sur ladite face et'devant un poste de raclage de ladite couche mince à l'état congelé. Dans ce genre d'opération, on a proposé d'assurer le refroidissement du cylindre congélateur de multiples manières. Un fluide réfrigérant est, en opération, continuellement injecté dans le cylindre, où il circule dans des canalisations en échange thermique avec une paroi cylindrique dont 10 la face externe forme la face de congélation. Jusqu'à maintenant, on s'est efforcé de faire dégager l'énergie frigorifique au voisinage immédiat de la paroi de congélation et à cet effet on a imaginé de confectionner des canalisations d'écoulement pour le fluide réfrigérant qui sont pratiquement sous-jacenfes à la paroi de congélation; comme il est nécessaire d'avoir à la fois une vitesse d'écoulement relatifs vement rapide et une durée de contact relativement longue du fluide réfrigérant avec la paroi de contact, on a proposé une grande variété de combinaisons de circuits d'écoulement par la mise en série et/ou en.parallèle d'éléments de canalisation tous placés dans une nappe sous-jacente à la paroi de condensation. De telles dispositions permettent l'utilisation de fluides réfrigé-20 raniëmoyennement froids, tout au plus quelques degrés ou dizaines de degrés en des- S sous de zéro, mais elîesprésentent souvent l'inconvénient, déjà à ces températures, d'assurer une répartition peu satisfaisante de la température sur la surface de congélation, et en outre de nécessiter de coflteux dispositifs auxiliaires de refroidissement du fluide réfrigérant, par exemple au moyen d'enceintes thermostatées ali-25 mentées en fluide de refroidissement à température nettement plus basse, par exemple à partir d'azote liquide. De plus, il est nécessaire de prévoir des moyens de circulation du fluide réfrigérant entre le poste de refroidissement et le cylindre congélateur. Il est bien évident qu'il serait plus économique d'alimenter le cylindre congélateur directement avec ce fluide très froid, mais alors les inconvé-30 nients mentionnés plus haut, concernant le manque d'uniformité de la température à l'endroit de la congélation, déjà notables avec un fluide moyennement froid» deviennent si importants qu'il est exclu d'opérer de cette façon avec les procédés et appareils actuellement mis en oeuvre. Un objet de la présente invention concerne'un procédé Se congélation 35 permettant l'injection directe d'un liquide très froid, par exemple de l'azote liquide, dans un cylindre congélateur. Un autre objet de l'invention est, en outre, d'assurer une uniformité quasi complète de la température à l'endroit de la congélation. Encore un autre objet de l'invention est d'assurer l'ensemble de ces buts avec un bon rendement thermique. Encore un autre objet de l'invention est un dispo 05667 2 2125204 sitif thermique utilisable en congélateur, et dans ce cas mettant en oeuvre le procédé ci-dessus, ou en évaporateur. Dans le procédé selon l'invention, on fait participer substantiellement tout le volume intérieur dudit cylindre à l'échange thermique en mettant le fluide frigorigène par exemple de l'azote injecté sous forme liquide, en circulation dans une pluralité de veines d'échange thermique avec un milieu de remplissage de transfert thermique prélevant l'énergie frigorifique des dites veines vers ladite face de cylindre. On constitue ainsi un échange thermique efficace, que ce soit par conduction dans un milieu thermiquement bon conducteur, et/ou par convexion par des mouvements d'un fluide intermédiaire de remplissage, soit forcée par brassage, soit naturelle en particulier en faisant intervenir une ébul-lition - condensation du fluide intermédiaire de remplissage - En fait, tout le volume du cylindre est utilisé au maximum pour l'échange thermique et l'on peut ainsi constituer des congélateurs développant une grande puissance de congélation par unité de volume. L'invention a également pour objet un dispositif thermique qui peut être utilisé pour la congélation, du genre comportant un cylindre rotatif autour d'un arbre axial, le cas échéant un poste de dépôt en couche mince d'un liquide et angulairement en aval dudit poste de congélation un poste de raclage du produit à l'état congelé, des moyens de refroidissement à l'intérieur du dit cylindre, lesdits moyens de refroidissement incorporant des canalisations pour la circulation d'un fluide frigorigène injecté à l'intérieur du cylindre, qui se caractérise en ce que substantiellement tout le volume intérieur compris entre la surface externe dudit cylindre et les dites canalisations pouz- la circulation du fluide d'échange thermique est constitué par un milieu de remplissage de transfert thermique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins, dans lesquels : - la figure 1 est une vue, en coupe axiale, d'un cylindre congélateur selon l'invention, - la figure 2 est une vue, en coupe, selon la ligné II-II de la figure t, - les figures 3 et 4 d'une part, 5 et 6 d'autre part, sont des vues analogues aux fig. 1 et 2 respectivement de deux autres variantes de deux réalisations de l'invention. En se référant aux fig.1 et 2, un cylindre congélateur est constitué essentiellement d'un noyau métallique 1f par exemple en aluminium, cuivre ou fer, chromé sur la face latérale, percé d'une multitude de.passages longitudinaux 2, par exemple formant cinq couronnes 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, ces passages étant régulièrement répartis dans la masse métallique 1. Cette masse métallique 1 présente 71 05667 3 2125204 d'une part une perforation axiale 3 permettant l'introduction d'un arbre 4 formé d'une partie 4a avec un dégagement axial formant conduit d'alimentation d'un li-quide ciyogénique, tandis qu'une seconde partie 4b constitue le conduit d'évacuation des vapeurs de ce liquide cryogénique. le conduit d'alimentation 4a se com-5 pose essentiellement d'un alésage 5, ménagé dans l'arbre 4, avec une pluralité de conduits radiaux tels que 6 et 7, chacun débouchant dans l'un des conduits 2a de la première couronne 2a qui est la plus proche de l'axe. Pour permettre l'introduction du liquide cryogénique dans le corps du cylindre, un conduit 8, isolé en 9, est engagé dans l'alésage 5 jusqu'au niveau des passages radiaux 6 et 7. D'au-10 tre part, la masse métallique 1 du cylindre congélateur présente, en regard de chaque face frontale, des dégagements 11 et 12 servant à la mise en place de flasques d'extrémité 13 et 14, et de caches 15, 15' permettant le passage du fluide cryogénique d'un conduit 2a vers un conduit d'une couronne 2b et, de là, vers un conduit de la couronne 2c etc..., le tout étant agencé de préférence pour que 15 l'ensemble des conduits 2a, 2b soit alimenté radialement en série dans la zone centrale, et certains en série et en parallèle dans la zone périphérique, où les passages transversaux sont en plus grand nombre. Pour permettre ces passages d'un conduit à l'autre on constate que des dégagements tels que 16 sont prévus sur les faces frontales du cylindre 1 de façon à ce que les conduits adjacents tels que 20 2b, 2c, 2e soient connectés en série. La flasque annulaire 14, avec son cache 15, détermine un passage annulaire radial 19, qui est alimenté, à la périphérie, par les conduits de périphérie 2e, et qui communique par des perforations radiales 20 avec l'intérieur par le conduit d'évacuation 4b. 25 Ce dispositif congélateur assure l'introduction dans le conduit 4a du liquide cryogénique, par exemple de l'azote liquide, qui s'écoule au travers des passages 6,7 et, de là, dans chacun des conduits longitudinaux 2a, puis dans les conduits 2b et ainsi de suite dans les conduits 2c, 2d, 2e. Sans les premiers conduits, le liquide cryogénique se vaporise en communiquant à' la masse métallique 30 du cylindre 1 l'énergie frigorifique due à la chaleur de vaporisation, tandis que dans les conduits de périphérie 2d et 2e, les vapeurs de liquide cryogénique sont progressivement réchauffées, de sorte que la température de sortie des vapeurs de liquide cryogénique est peu inférieure à la température de la masse métallique du cylindre 1 au voisinage de sa périphérie. De façon habituelle, ce cylindre 1 est 35 adapté à tremper, à sa partie inférieure, dans une masse d'un liquide 20 à congé- — ■% 1er, placé dans un bac 21, tandis que, dans une partie aval par rapport au sens de rotation, est disposé un râcleur qui détache et brise en paillettes, d'une façon connue en soir les produits de congélation. Il est préférable que 1'écoule -ment des vapeurs du liquide cryogénique dans les canaux périphériques soit du type turbulent. Dans ce but, la section de passage des dits canaux est réduite, par 71 05667 4 2125204 exemple, par des noyaux 23 engagés dans ces derniers. Bien entendu les moyens d'entraînement en rotation, non représentés aux dessins, sont agencés sur l'arbre 4 du cylindre congélateur. Ces moyens n'ont pas été décrits, car ils sont connus en soi. 5 En se référant aux fig. 3 et 4, on dispose ici d'un cylindre congéla teur 30 formé d'une paroi latérale 31, de deux flasques d'extrémité 32, 33, le tout supporté par des palliers 34 35, tournant librement, d'une part sur un arbre 37 formant le conduit d'échappement des vapeurs, d'autre part sur un arbre creux 38, •au travers duquel est engagé un conduit fixe 39 d'alimentation en liquide cryogé— 10 nique pour un tube central 40a, et six conduits satellites 40b, chacun en série, le dernier conduit 40'b alimentant un premier conduit 40'c d'une couronne de conduits périphériques 40c, chacun étant formé par les parties droites d'un serpentin, disposées en nappe cylindrique, le dernier conduit 40"c étant raccordé, par un conduit radial 41, avec le conduit d'échappement 37- Dans l'espace annulaire ménagé 15 entre la série interne des conduits 40b et la série périphérique de conduits 40c, sont engagées des palettes 43 d'un agitateur 44, portées par l'arbre creux 38 entraîné en rotation par des moyens appropriés sur un arbre 45 fermant de façon étanche le cylindre 30 qui est empli d'un liquide ayant des propriétés de bonne conductibilité thermique. Un tel liquide peut être, par exemple, de l'alcool, du fré-20 on ou analogue; l'agitateur 44 permet d'accroître considérablement le transfert thermique du liquide cryogénique dans les conduits 40a, 40b, 40c vers la paroi latérale 31 qui, de la façon précédemment décrite, plonge partiellement dans un liquide à congeler. Dans cette forme de réalisation, comme précédemment décrite, l'ensem-25 ble du volume défini par la surface cylindrique 30 contribue à l'échange thermique de l'énergie au serpentin 40a, 40b, 40c vers la périphérie du cylindre 30, ce qui assure comme précédemment un rendement optimal de l'échange thermique. En se référant maintenant aux fig. 5 et 6, on voit que l'on dispose ici d'un congélateur 50 constitué d'une surface cylindrique 51, de flasques laté-30 raux 52, 53, supportés par des paliers 54, 55, respectivement, le palier 54 permettant la réception du conduit d'évacuation 56 des vapeurs du liquide cryogénique, -tandis que le palier 55 reçoit le conduit d'alimentation 57 de liquide cryogénique. Sntre ces deux conduits est supporté un serpentin échangeur 58. Dans le volume interstitiel entre cet échangeur 58 et le cylindre 50 agit m fluide de remplissage 35 constitué en partie d'une phase liquide 59 et d'une phase vapeur 60. Ce fluide intermédiaire est choisi de façon à être, en fonctionnement, en ébullition dans sa zone en contact avec la paroi 51 et en condensation dans la zone voisine du serpentin 58. On assure ainsi des mouvements de convexion thermique très substantiels. 71 05667 s 2125204 REVENDICATIONS 1. Dispositif thermique, en particulier de congélation, du genre comportant un cylindre rotatif autour d'un arbre axial, le cas échéant un poste de dépôt en couche mince d'un liquide et angulairement en aval dudit poste de dépôt un poste de râclage du produit, des moyens de refroidissement à l'intérieur dudit cylindre, les dits moyens de refroidissement incorporant des canalisations pour la circulation d'un fluide d'échange thermique injecté à l'intérieur du cylindre, caractérisé en ce que substantiellement tout le volume intérieur compris entre la surface externe dudit cylindre et les dites canalisations pour la circulation du fluide d'échange thermique est constitué par une masse de remplissage de transfert thermique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse de transfert thermique est constituée par un métal conducteur tel que le cuivre, l'aluminium, le fer. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse métallique- de transfert thermique est pourvue de perforations longitudinales formant les canalisations pour le fluide d'échange thermique, le cylindre étant associé à ses deux extrémités à des flasques de communication entre les dites canalisations.