Brevet FR2840063A1 — publié le 20031128

L'invention concerne un procede et une installation de refroidissement eVou de cristallisation de produits, notamment alimentaires ou encore chimique utilisant un systeme de caloduc refroidi a l'azote liquide et a surface raclee. On conna^t dans cette industrie du refroidissement de nombreux procedes de refroidissement ou cristallisation, parmi ceux-ci on conna^'t les systemes dits de tambours a surface raclee refroidis par froid mecanique. La surface interieure du tambour est ainsi raclee (par exemple par un couteau) ceci afin de brasser la matiere, augmenter les coefficients de transfert et eviter les phenomenes de croGtage de la surface interne du tambour. Un tel raclage permet egalement dans certains applications d'obtenir le taux de cristallisation desire (c'est le cas pour les cremes glacees). Neanmoins ces systemes a froid mecanique ne vent pas sans presenter des insuffisances techniques et economiques parmi lesquelles on peut signaler: - une fenetre de procede relativement etroite et done une assez falble flexibilite (notamment une gamme de temperature etroite); - la complexite de ['installation (et notamment les difficultes d'entretien) dues a la presence du groupe frigo. Un des objectifs de la presente invention est alors de proposer une installation offrant: - la possibilite de travailler sur une gamme de temperature plus etendue avec une puissance frigorifique sensiblement constante; - une flexibilite amelioree, et notamment une fenetre de procede etendue; - une structure simplifiee (si possible mono-bloc) permettant peu ou meme pas d'entretien. A cet effet, I'invention a pour objet un procede de refroidissement et/ou cristallisation d'un produit, utilisant un systeme de type '. On rappellera que le principe du caloduc est de comporter une enceinte hermetique qui renferme un fluide en equilibre avec sa phase vapeur (par exemple un freon), le transfert de chaleur (ou de frigories en ['occurrence) s'effectue en utilisant le changement de phase du fluide pour transporter la chaleur d'une source chaude a une source froide. Selon ['invention done, le produit est refroidi/cristallise par echange thermique au travers d'une paroi avec un fluide qui est en equilibre avec sa phase vapeur, le fluide situe de l'autre cote de la paroi absorbent en se vaporisant les calories du produit a refroidir ou cristalliser, et les vapeurs du fluide se recondensant par echange avec une source de froid en cedant des calories, ladite source de froid etant de l'azote liquide circulant dans un echangeur en contact avec ledit fluide. A titre illustratif, selon une des geometries possibles selon ['invention, le produit a refroidir (par exemple une puree) passe typiquement a l'interieur d'un tambour dont la surface est refroidie par l'exterieur par echange avec le fluide situe de l'autre cote de la paroi, qui absorbe -en se vaporisant- les calories du produit a refroidir ou cristalliser, les vapeurs du fluide se condensant par echange avec l'echangeur en cedant des calories et ainsi de suite Le procede selon ['invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - on regule en temperature et pression l'equilibre liquide/vapeur audit fluide par la mise en couvre des mesures suivantes: i) on dispose d'une sonde de temperature apte a mesurer la temperature de la phase liquide du fluide; et j) on dispose d'un organe de controle de debit apte a asservir le debit d'azote liquide injecte dans l'echangeur pour maintenir l'equilibre liquide/vapeur du fluide a la temperature desiree en fonction du resultat de mesure de temperature fourni par ladite sonde. - le dit organe de controle est une electrovanne ou une vanne proportionnelle. - ladite regulation utilise egalement une valeur de temperature de l'azote gazeux froid en sortie d'echangeur telle que fournie par une sonde add ition nel le. - on met en ceuvre des moyens pour racier a intervalles plus ou moins - reguliers la surface de ladite paroi qui est en contact avec le produit. L'invention concerne egalement une installation de refroidissement eVou cristallisation d' u n p rodu it, utilisant u n systeme de type ' ou le produit est refroidi/cristallise par echange thermique au travers d'une paroi avec un fluide qui est en equilibre avec sa phase vapeur, le fluide situe de l'autre cote de la paroi absorbent en se vaporisant les calories du produit a refroidir ou cristalliser, et les vapeurs du fluide se recondensant par echange avec une source de froid (3) en cedant des calories, ladite source de froid etant de 1'azote liquide circulant dans un echangeur en contact avec ledit fluide. L'installation selon ['invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - elle comprend une sonde de temperature apte a mesurer la temperature de la phase liquide du fluide, ainsi qu'un organe de controle de debit apte a asservir le debit d'azote liquide injecte dans l'echangeur pour maintenir I'equilibre liquide/vapeur du fluide a la temperature desiree en fonction du resultat de mesure de temperature fourni par iadite sonde. - le dit organe de controle est une electrovanne ou une vanne proportionnelle. - elle comprend egalement une sonde additionnelle apte a fournir une valeur de temperature de 1'azote gazeux froid en sortie d'echangeur. - elle comprend egalement des moyens pour racier a intervalles plus ou moins reguliers la surface de la parol en contact avec le produit. Comme on ['aura compris, I'invention repose sur l'utilisation d'azote liquide comme source de froid pour permettre la recondensation du fluide frigorifique. Par rapport aux systemes a froid mecanique, le procede selon ['invention permet de travailler sur une gamme de temperature plus large avec une puissance frigorifique sensiblement constante, avec une grande flexibilite (large fenetre de procede). L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit, faisant reference aux figures annexees suivantes: - la figure 1 qui montre, vue en coupe transversale, un premier exemple d'installation conforme a ['invention (caloduc en position horizontale); - la figure 2 qui montre, vue en coupe transversale, un deuxieme exemple d'installation conforme a ['invention (caloduc en position verticale). - la figure 3 qui illustre un mode particulier de mise en ceuvre de ['invention utilisant une geometric ou le produit a refroidir est en contact avec la surface exterieure d'un cylindre, a l'interieur duquel se trouve le systeme d'echangeur a azote liquide. . On reconna^t sur la figure 1 un tambour 30 a 1'interieur duquel circule le produit 1 a refroidir (par exemple une sauce), qui entre dans le tambour par ['entree 8 et en ressort par la sortie 9, en etant en contact le long de son parcours avec la paroi d'echange 4. Conformement au principe du caloduc, le tambour est entoure de fluide 2 (par exemple un freon) en equilibre LiquideNapeur. Le fluide 2 situe ainsi de l'autre cote de la paroi absorbe en se vaporisant les calories du produit 1 a refroidir ou cristalliser, et les vapeurs du fluide ainsi produites se re-condensent, en cedant des calories, sur les parois de l'echangeur 3 dans lequel circule de I'azote liquide. On note sur la figure la presence de moyens de controle et regulation de l'equilibre liquide/vapeur du fluide a une temperature desiree: - une sonde de temperature 5 apte a mesurer la temperature de la phase liquide du fluide 2; et - un organe de controle de debit 7 (ici une electrovanne) apte a asservir le debit d'azote liquide injecte dans l'echangeur 3 pour maintenir l'equilibre liquide/vapeur du fluide a la temperature desiree en fonction du resultat de mesure de temperature fourni par la sonde 5; - une sonde additionnelle 6, apte a fournir une valeur de temperature de 1'azote gazeux froid obtenu en sortie d'echangeur et permettant de reguler la temperature dans l'echangeur 3 de maniere plus precise et homogene en evitant notamment les risques de sous-refroidissement de l'echangeur et done de cristallisation du fluide frigorifique. On reconna^'t sur la figure 2 les elements deja decrits dans le cadre de la figure 1 avec cette fois une configuration verticale du caloduc. Dans un cas comme dans l'autre on n'a pas represente- pour ne pas charger inutilement les figures- le systeme de couteaux de raclage, interieurs au tambour, permettant de racier regulierement la surface interne 4 ceci afin d'eviter les phenomenes de croGtage de la surface interne du tambour, mais aussi de brasser la matiere, et ainsi globalement d'augmenter les coefficients de transfert dans le systeme (couteaux connus par ailleurs de l'homme du metier). La figure 3 illustre quant a elle un mode particulier de mise en ceuvre de ['invention utilisant une geometric que l'on peut qualifier d" ', ou le produit a refroidir 1 est situe a 1'exterieur du tambour 30, en etant done en contact @ ac la sudaco ex1drieurG da co cyllndrs (A 111re liius1ra11f la cyllndro plonge dans un baln du pdu#, ou enco la produR es1 puldsd sur la sudace sx14heura du cyOndra - las daux soluDons 61an1 raprdsan1das sur la Dgurat A ln1Arieur du cyDndra SG 1rouve Ia phase quida du fulda 2 da rafroidsaman1 alosl qua la sys1Ama 6changaur azota liqulda 3. Un sys1AmG da couteau 10 perma1 da gm11ar la sudaca axiAhaum du cyOndra du produb quf s'y as1 rafroldl ou cristalllsd. REVENDICATIONS 1. Procede de refroidissement et/ou cristallisation d'un produit (1), utilisant un systeme de type , selon lequel le produit est refroidilcristallise par echange thermique au travers d'une paroi (4) avec un fluide (2) qui est en equilibre avec sa phase vapeur, le fluide situe de 1'autre cote de la paroi absorbent en se vaporisant les calories du produit a refroidir ou cristalliser, et les vapeurs du fluide se recondensant par echange avec une source de froid (3) en cedant des calories, ladite source de froid etant de 1'azote liquide circulant dans un echangeur (3) en contact avec ledit fluide. 2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que 1'on regule en temperature et pression l'equilibre liquide/vapeur audit fluide par la mise en couvre des mesures suivantes: - on dispose d'une sonde (5) de temperature apte a mesurer la temperature de la phase liquide du fluide; on dispose d'un organe (7) de contr61e de debit apte a asservir le debit d'azote liquide injecte dans l'echangeur (3) pour maintenir 1'equilibre liquidelvapeur du fluide a la temperature desiree en fonction du resultat de mesure de temperature fourni par ladite sonde. 3. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que le dit organe de controle est une electrovanne ou une vanne proportionnelle. 4. Procede selon la revendication 2 ou 3, caracterise en ce que ladite regulation utilise egalement une valeur de temperature de l'azote gazeux froid obtenu en sortie d'echangeur telle que fournie par une sonde additionnelle (6). 5. Procede selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que l'on met en couvre des moyens pour racier a intervalles plus ou moins reguliers la surface de ladite paroi qui est en contact avec le produit. 6. Installation de refroidissement et/ou cristallisation d'un produit (1), utilisant un systeme de type ou le produit est refroidilcristallise par echange thermique au travers d'une paroi (4) avec un fluide (2) qui est en equilibre avec sa phase vapeur, le fluide situe de l'autre cote de la paroi absorbent en se vaporisant les calories du produit a refroidir ou cristalliser, et les vapeurs du fluide se recondensant par echange avec une source de froid (3) en cedant des calories, ladite source de froid etant de l'azote liquide circulant dans un echangeur (3) en contact avec ledit fluide. 7. Installation selon la revendication 6, caracterisee en ce qu'elle comprend: S - une sonde (5) de temperature apte a mesurer la temperature de la phase liquide du fluide; - un organe (7) de contrdle de debit apte a asservir le debit d'azote liquide injecte dans l'echangeur (3) pour maintenir l'equilibre liquide/vapeur du fluide a la temperature desiree en fonction du resultat de mesure de temperature fourni par ladite sonde. 8. Installation selon la revendication 7, caracterisee en ce que le dit organe de contrOle est une electrovanne ou une vanne proportionnelle. 9. Installation selon la revendication 6 ou 7, caracterisee en ce qu'elle comprend egalement une sonde additionnelle (6) apte a fournir une valeur de temperature de l'azote gazeux froid en sortie d'echangeur. 10. Installation selon l'une des revendications 6 a 9, caracterisee en ce qu'elle comprend egalement des moyens pour racier a intervalles plus ou moins reguliers la surface de la paroi en contact avec le produit.