Brevet FR2808584A1 — publié le 20011109

i La présente invention se rapporte aux systèmes de refroidissement destinés à réfrigérer ou à maintenir en température des produits subissant une opération de malaxage à l'intérieur d'une enceinte. L'invention vise plus particulièrement un procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, le fluide étant injecté par au moins un organe d'injection actionnable à ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte, et étant extrait d'une région supérieure de l'enceinte via une conduite d'extraction. Généralement, dans les systèmes de refroidissement connus, on injecte à la base de l'enceinte de malaxage du CO2 liquide sous pression qui se transforme par détente en neige carbonique et en gaz, la neige étant malaxée avec le produit contenu dans l'enceinte, et le gaz étant extrait de la partie supérieure de l'enceinte après échange thermique avec le produit à malaxer. Un tel dispositif a été décrit par exemple dans la demande de brevet français FR-A-2 734 624. La difficulté qui se pose dans un tel système, consiste à réguler la température du produit malaxé tout au long de l'opération de malaxage, et à commander l'injection du fluide réfrigérant dans l'enceinte. Plusieurs solutions ont 2 0 déjà été proposées qui ne donnent pas entière satisfaction: - Le prélèvement manuel par un opérateur d'un échantillon à l'intérieur de l'enceinte, suivi du contrôle manuel de la température de l'échantillon. L'opérateur injecte ensuite manuellement du fluide cryogénique en fonction de la température qu'il a mesurée. Outre le fait que ces opérations manuelles sont longues, la mesure de température est peu précise et l'évaluation de la quantité de fluide cryogénique à injecter est empirique. Il peut en découler un mauvais rendement frigorifique de l'opération de refroidissement, et par conséquent une surconsommation de fluide réfrigérant, mais encore une altération du produit par apport frigorifique brutal. - Le contrôle de la température par une ou plusieurs sondes disposées dans l'enceinte. Les systèmes les plus évolués fonctionnant sur ce principe comportent plusieurs sondes réparties dans l'enceinte de façon à donner une température moyenne prenant en compte l'ensemble du produit. Par contre, ces sondes sont difficilement accessibles et difficilement démontables, voire, indémontables, ce qui rend leur nettoyage et leur maintenance difficiles. De plus, le montage et le positionnement initial des sondes sont complexes pour avoir une mesure représentative non perturbée par les injections. - La commande de l'injection à partir d'une valeur ou d'une variation du couple d'entraînement de l'organe de malaxage. Un tel système fonctionne sur le principe suivant lequel la résistance au malaxage du produit est d'autant plus importante que sa température est basse, et que la consommation électrique du moteur d'entraînement de l'organe de malaxage permet d'accéder à la température du produit. Cependant, la corrélation entre la quantité d'énergie électrique consommée et la température du produit malaxé, est complexe, et difficilement exploitable. Le but de l'invention est de remédier à ces divers inconvénients, et d'avoir une consommation optimisée de fluide avec un procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage, qui soit automatique, fiable et qui mette en oeuvre des moyens de mesure facilement maintenables. A cet effet, le procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant suivant l'invention comporte les étapes de: - mesure de la température du fluide extrait; - commande d'ouverture ou fermeture de l'organe d'injection, en fonction de ladite température. Ainsi, le paramètre choisi pour commander l'injection de fluide cryogénique est la température du fluide extrait, ce qui a pour conséquence une grande simplicité de la mesure de température qui peut être en un point unique, et une corrélation à la fois simple et fiable entre la grandeur mesurée et la température du produit malaxé. Les quantités de fluide injectées sont instantanément adaptées à la " quantité de froid " que peut emmagasiner le produit, et les échanges thermiques sont optimisés. Par exemple, l'organe d'injection est commandé à fermeture si la valeur de la température mesurée est inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. Plus précisément, l'invention propose un procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, le fluide étant injecté par au moins un organe d'injection actionnable à ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte, et étant extrait d'une région supérieure de l'enceinte via une conduite d'extraction, procédé caractérisé en ce que, sur un cycle de malaxage d'une durée prédéterminée et divisé en une pluralité de périodes élémentaires d'une durée prédéterminée, comprises chacune entre un instant initial et un instant final, on effectue les opérations suivantes à chaque instant initial: (a) mesurer la température du fluide extrait et comparer la valeur de température ainsi obtenue avec une valeur de référence, de façon à obtenir un 1 o écart; (b) calculer un temps d'injection élémentaire à partir dudit écart; (c) commander à ouverture l'organe d'injection sur une phase élémentaire d'injection de durée égale au temps d'injection élémentaire ainsi calculé et commander à fermeture ledit organe sur le reste de la période élémentaire. Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention: - on détermine préalablement un temps total d'injection de fluide réfrigérant correspondant à une quantité de fluide à injecter sur un cycle de malaxage; - on incrémente un compteur de temps d'injection du temps d'ouverture de l'organe d'injection après chaque temps d'injection élémentaire, qui fournit un temps cumulé d'injection; - on interdit l'ouverture de l'organe d'injection jusqu'à la fin du cycle de malaxage, dès que le temps cumulé d'injection atteint la valeur du temps total 2 5 d'injection. De préférence, on interdit l'ouverture de l'organe d'injection dès lors que l'organe de malaxage est inactif. Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, la fin d'une phase élémentaire d'injection est séparée du début de la phase élémentaire d'injection suivante d'une phase de pause, de durée non nulle, pendant laquelle on interdit l'ouverture de l'organe d'injection. L'invention vise également un dispositif de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, du type comprenant au moins un organe d'injection du fluide actionnable a ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte, des moyens d'extraction du fluide de l'enceinte via une conduite d'extraction qui débouche dans une partie supérieure de l'enceinte, et des moyens de mesure de température, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température sont adaptés pour mesurer la température du fluide extrait, et en ce que le dispositif comprend des moyens d'émission d'un signal de commande d'ouverture ou fermeture de l'organe d'injection en fonction de la valeur de température ainsi mesurée. Avantageusement, les moyens de mesure sont disposés en dehors de l'enceinte de malaxage. Grâce à cette disposition, les moyens de mesure sont, en dehors des zones perturbées par l'influence des injecteurs, et facilement accessibles et donc facilement démontables, en vue d'une opération de maintenance ou d'un nettoyage. L'invention vise enfin une machine de malaxage équipé d'un dispositif de contrôle et de commande d'injection, tel que décrit précédemment. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est un schéma de fonctionnement du dispositif suivant l'invention; - la Figure 2 est un diagramme représentant les différentes grandeurs significatives du fonctionnement du dispositif suivant l'invention et du procédé de contrôle et de commande d'injection également objets de l'invention. A la Figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte 1 de malaxage équipée d'un organe de malaxage 2. L'enceinte de malaxage 1 est une enceinte fermée, de forme allongée, à axe général X-X sensiblement horizontal, à l'intérieur de laquelle est disposé longitudinalement un arbre 3 d'entraînement d'une série de bras rotatifs 4 munis de pales 41 (bien que les enceintes de malaxage comportent plus couramment deux arbres, on fera référence, dans toute la description, à un arbre par souci de simplification). L'arbre 3, d'axe X-X, est entraîné en rotation par un moteur électrique 5 dont la rotation est contrôlée par un organe de contrôle 6. Le fluide réfrigérant est injecté par une série d'organes d'injection 7 constitués chacun d'un injecteur 8, d'une vanne 9 à fonctionnement électromagnétique comprenant un obturateur manoeuvré par une bobine 10. La commande de la bobine 10 actionne à ouverture et fermeture l'organe d'injection 7. Chaque organe d'injection 7 débouche dans la région inférieure de l'enceinte 1, de façon à augmenter l'efficacité du produit réfrigérant. En effet, le fluide réfrigérant le plus communément utilisé est du CO2 liquide (il est aussi possible d'injecter du N2) injecté sous pression, provenant d'un réservoir R, qui se détend dans l'enceinte de malaxage 1, et passe à l'état solide sous forme de neige carbonique, et pour partie sous forme gazeuse. La neige carbonique est malaxée avec les constituants du produit à traiter, alors que le gaz issu du liquide réfrigérant ou du réchauffement de la neige carbonique traverse le produit du bas vers le haut de l'enceinte. Cela permet d'obtenir un rendement frigorifique du gaz réfrigérant plus élevé que par une injection depuis le haut de l'enceinte. Le gaz est ensuite extrait de l'enceinte 1 via une conduite d'extraction 11 débouchant dans la région supérieure de l'enceinte 1. Le dispositif comprend des moyens de mesure de température 12 qui mesurent la température du fluide extrait, c'est-à-dire issu du fluide réfrigérant après échange thermique avec le produit à malaxer, les moyens de mesure de température 12 étant par exemple constitués simplement d'une sonde disposée dans la conduite d'extraction 11 en dehors de l'enceinte de malaxage 1. Un signal de commande d'ouverture ou fermeture des organes d'injection 7, qui correspond à un signal électrique délivré à la bobine 10, est élaboré en fonction de la température ainsi mesurée. La température mesurée dans la conduite d'extraction 11 dépend de la quantité de chaleur échangée entre le gaz issu du fluide réfrigérant et le produit contenu dans l'enceinte 1, entre la formation du gaz consécutivement à l'introduction du liquide réfrigérant et son extraction dans la conduite d'extraction 11. En conséquence, la température mesurée dans la conduite d'extraction 11 donne une image de la température du produit contenu dans l'enceinte, et de la quantité de froid qu'il est capable d'absorber. Le procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant qui va maintenant être décrit repose sur ce principe. Il s'applique au dispositif qui a été décrit précédemment et se fonde sur la mesure de la température du fluide extrait comme paramètre de commande d'ouverture ou de fermeture des organes d'injection 7. On peut prévoir pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de contrôle et de commande d'injection, que l'organe d'injection 7 est par défaut, durant une opération de malaxage, commandé à ouverture, et qu'un signal de commande de fermeture est délivré audit organe d'injection si la valeur de la température mesurée dans la conduite d'extraction 11 est inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. Il est cependant plus intéressant de prévoir un procédé qui consiste, sur un cycle de malaxage d'une durée Tm prédéterminée et divisé en une pluralité de périodes élémentaires d'une durée prédéterminée Te, comprises chacune entre un instant initial ti et un instant final tf, à effectuer les opérations suivantes à chaque instant initial ti: (a) mesurer la température du fluide extrait et comparer la valeur de température Temp. ainsi obtenue avec une valeur de référence Temp.S, de façon à obtenir un écart; (b) calculer un temps d'injection élémentaire ton à partir dudit écart; (c) commander à ouverture l'organe d'injection 7 sur une phase élémentaire d'injection de durée égale au temps d'injection élémentaire ton ainsi calculé et commander à fermeture ledit organe sur le reste de la période élémentaire. Ce mode de réalisation a été représenté à la Figure 2. Il permet d'amener la température du produit au voisinage de la température de consigne en un temps relativement court, la régulation étant effectuée en fonction d'un écart de température par rapport à une température de seuil Temp.S et non par la simple position de ladite température Temp. au- dessous ou au dessus de cette température de seuil Temp.S. Il est par ailleurs préférable de prévoir des paramètres supplémentaires dans l'élaboration du signal de commande des organes d'injection. En particulier, le dispositif comporte un calculateur 13 qui reçoit des signaux du capteur de température 12 et qui envoie des signaux de commande d'ouverture/fermeture aux organes 7.Ce calculateur est programmé pour calculer une durée totale d'injection de fluide réfrigérant à partir de paramètres pl, p2, p3 liés au produit à malaxer et aux caractéristiques de température initiale Oi et finale Of du produit. Les paramètres liés au produit sont par exemple la masse du produit à malaxer pl, sa chaleur spécifique p2, et un éventuel taux de congélation p3 correspondant au rapport des quantités de produit congelé et de produit non congelé introduites initialement dans l'enceinte. On détermine donc par ce biais, préalablement à l'opération de malaxage, un temps total d'injection de fluide réfrigérant correspondant à une quantité de fluide à injecter sur un cycle de malaxage complet. Cette quantité de fluide réfrigérant représente pour un rendement thermique donné, la quantité de fluide nécessaire pour faire passer le produit contenu dans l'enceinte de sa température initiale Oi à sa température finale de consigne 0Of. La détermination du temps total d'injection pourrait également être effectuée empiriquement par un opérateur, ce temps étant ensuite réglé par une opération manuelle. Durant l'opération de malaxage, on incrémente un compteur 14 de temps d'injection du temps d'ouverture de l'organe d'injection ton, après chaque temps d'injection élémentaire, qui fournit un temps cumulé d'injection. Dès que le temps cumulé d'injection atteint la valeur du temps total d'injection, ce qui signifie que la quantité théorique de fluide à injecter a été introduite dans l'enceinte, on interdit l'ouverture des organes d'injection 7 jusqu'à la fin du cycle de malaxage. Cette condition constitue une sécurité de fonctionnement du procéde, par laquelle on évite que la température en fin d'opération de malaxage ne soit trop basse. De même, puisque l'essentiel de l'apport de chaleur à l'intérieur de l'enceinte de malaxage I provient du mouvement de l'arbre 3 et des bras rotatifs 4, et pour éviter de geler les produits proches des points d'injection ou de congeler l'ensemble en cas d'arrêt prolongé, on interdit l'ouverture des organes d'injection 7 dès lors que l'organe de malaxage 2 est inactif. Pour cela, I'organe 6 de contrôle de fonctionnement du moteur 5 émet un signal significatif du fonctionnement du moteur 5 vers le calculateur 13. Il est d'autre part très important de ménager des temps de repos durant lesquels le produit peut céder des calories, et de ne pas traumatiser le produit à malaxer par un refroidissement trop brutal, donc par un apport trop rapide et en quantité excessive de fluide cryogénique. C'est pourquoi l'on prévoit durant chaque période élémentaire une phase de pause pendant laquelle on interdit l'ouverture des organes d'injection 7. Cette phase de pause est consécutive, pour chaque période élémentaire, à la phase élémentaire d'injection. Le dispositif et le procédé qui viennent d'être décrits, permettent une optimisation et une automatisation complète de la commande d'injection de fluide réfrigérant pendant une opération de malaxage, grâce à des moyens de mesure -d'usage courant dont l'accessibilité est accrue, mais encore par des moyens d'asservissement extrêmement simples. En outre, les aménagements sur les machines de malaxage existantes nécessaires à l'exécution de l'invention, sont mineurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, le fluide étant injecté par au moins un organe d'injection actionnable à ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte, et étant extrait d'une région supérieure de l'enceinte via une conduite d'extraction, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de: - mesure de la température du fluide extrait; - commande d'ouverture ou fermeture de l'organe d'injection, en fonction de ladite température. 2. Procédé de contrôle et de commande d'injection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'injection est commandé à fermeture si la valeur de la température mesurée est inférieure à une valeur de seuil prédéterminée. 3. Procédé de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, le fluide étant injecté par au moins un organe d'injection actionnable à ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte, et étant extrait d'une région supérieure de l'enceinte via une conduite d'extraction, procédé caractérisé en ce que, sur un cycle de malaxage d'une durée prédéterminée et divisé en une pluralité de périodes élémentaires d'une durée prédéterminée, comprises chacune entre un instant initial et un instant final, on effectue les opérations suivantes à chaque instant initial: (a) mesurer la température du fluide extrait et comparer la valeur de température ainsi obtenue avec une valeur de référence, de façon à obtenir un écart; (b) calculer un temps d'injection élémentaire à partir dudit écart; (c) commander à ouverture l'organe d'injection sur une phase élémentaire d'injection de durée égale au temps d'injection élémentaire ainsi 3 0 calculé et commander à fermeture ledit organe sur le reste de la période élémentaire. 4. Procédé de contrôle et de commande d'injection suivant la revendication 3, caractérisé en ce que: - on détermine préalablement un temps total d'injection de fluide réfrigérant correspondant à une quantité de fluide à injecter sur un cycle de malaxage; - on incrémente un compteur de temps d'injection du temps d'ouverture de l'organe d'injection après chaque temps d'injection élémentaire, qui fournit un temps cumulé d'injection; - on interdit l'ouverture de l'organe d'injection jusqu'à la fin du cycle de malaxage, dès que le temps cumulé d'injection atteint la valeur du temps total d'injection. 5. Procédé de contrôle et de commande d'injection suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on interdit l'ouverture de l'organe d'injection dès lors que l'organe de malaxage est inactif. 6. Procédé de contrôle et de commande d'injection suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la fin d'une phase élémentaire d'injection est séparée du début de la phase élémentaire d'injection suivante d'une phase de pause, de durée non nulle, pendant laquelle on interdit l'ouverture de l'organe d'injection. 7. Dispositif de contrôle et de commande d'injection de fluide réfrigérant dans une enceinte de malaxage équipée d'un organe de malaxage, du type comprenant au moins un organe d'injection de fluide (7) actionnable à ouverture/fermeture débouchant dans une région inférieure de l'enceinte (1), des moyens d'extraction du fluide de l'enceinte (1) via une conduite d'extraction (11) qui débouche dans une partie supérieure de l'enceinte, et des moyens de mesure de température (12), caractérisé en ce que les moyens de mesure de température (12) sont adaptés pour mesurer la température du fluide extrait, et en ce que le dispositif comprend des moyens (13) d'émission d'un signal de commande d'ouverture ou fermeture de l'organe d'injection (7) en fonction de la valeur de température ainsi mesurée. 8. Dispositif de contrôle et de commande d'injection suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure (12) sont disposés en dehors de l'enceinte de malaxage (1). 9. Machine de malaxage équipée d'un dispositif de contrôle et de commande d'injection suivant la revendication 7 ou 8.