Brevet FR2834554A1 — publié le 20030711

un angle obLus. - - La présente invention concerne un procédé et un dispositif de refroidissement d'une veine de fluide gazeux tel que de l'air. Elle concerne également un procédé de refroidissement d'articles à l' aide du procédé précité de refroidissement d'une veine de fluide gazeux. Pour refroidir une veine de fluide gazeux, il est classique de mettre cette veine en contact avec une surface de retroidissement plus froide qu'elle. Cette surface de refroidissement est définie par un élément qui doit être lui-même refroidi. Par exemple, on utilise à cet effet un fluide de refroidissement autre que le fluide gazeux à refroidir, dans le cas d' un refroidissement au moyen d' un échangeur de chaleur. Par conséquent, ce mode de retroidissement a comme inconvénient de présenter une certaine inertie. En particulier, lors d'un démarrage, il ne permet pas de passer en peu de temps d'une situation o l' écoulement de fluide gazeux n est pas refroidi à un régime de fonctionnement stabilisé et opérationnel, dans lequel la veine de fluide gazeux est refroidie à la température voulue. L'invention, qui entend remédier à l'inconvénient précité, a donc au moins pour but d' augmenter la vitesse à laquelle on peut modifier la température d'une veine de fluide gazeux refroidi. A cet effet, l' invention a pour objet un procédé de refroidissement d'une veine de fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles: a) on confine ladite veine; b) durant l'étape a), on pulvérise de l'azote liquide dans la veine pour refroidir le fluide gazeux, puis c) on récupère le fluide gazeux refroidi. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé de refroidissement: 2 5 - on effectue l'étape c) seulement après que l'azote liquide se soit complètement vaporisé dans la veine; - avant l'étape b), il comporte une étape dans laquelle: d) on ralentit le fluide gazeux en augmentant la section de la veine; - dans l'étape d), on dirige la veine sur une surface d'impact; - après l'étape b) et avant l'étape c), il comporte une étape dans laquelle: e) on brasse la veine. - dans l'étape e), on brasse la veine en aspirant le fluide gazeux à l' aide d'une turbomachine; - dans l'étape e), on brasse la veine en la déflectant; - en agissant sur le déhit d'azote liquide pulvérisé à l'étape b), on réqule la température du fluide gazeux réaupéré à l'étape c), autour d'une température prédéterminée. L' invention a également pour objet un procédé de refroidissement d'articles, caractérisé en ce qu'il inclut le procédé de refroidissement défini ci-dessus, ainsi qu'au moins une étape dans laquelle on envoie le fluide gazeux récupéré à l'étape c) sur les articles. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce procédé de refroidissement d' articles, le fluide gazeux est de l'air. De plus, l' invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'une veine de fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit de mélangeage destiné à être parcouru par la veine, ainsi que des moyens de pulvérisation d'azote liquide dans ce conduit de mélangeage. I i ? Selon d'autres caractéristiques avantageuses de ce dispositif de refroidissement: - il comporte un conduit d' injection du fluide gazeux dans le conduit de mélangeage, ce conduit d' injection étant dirigé vers au moins une surface d' impact situse à l'intérieur du conduit de mélangeage, et, au moins sur un tronçon contenant la surface d'impact et lesdits moyens de pulvérisation, le conduit de mélangeage a une section supérieure à la section du conduit d'injection; - le conduit d'injection est engagé dans le conduit de mélangeage par une extrémité amont de ce conduit de mélangeage, ladite surface d' impact étant tournée sensiblement vers cette extrémité amont; - la surface d'impact est concave; - le dispositif comporte des moyens de brassage du fluide gazeux, ces moyens de brassage étant placés en aval des moyens de pulvérisation; - le dispositif comprend une enceinte dans laquelle débouche une extrémité aval du conduit de mélangeage, l'enceinte et le conduit de mélangeage délimitant entre eux un passage de tranquillisation pour le fluide gazeux, l'enceinte possédant une évacuation pour le fluide gazeux, située au niveau dudit passage de tranquillisation; - les moyens de brassage sont placés en amont dudit passage de tranquillisation; - l'extrémité amont du conduit de mélangeage est ouverte et située dans l'enceinte; - le dispositif comporte des moyens d'aspiration placés en aval des moyens de pulvérisation et en amont de l'évacuation, et prévus pour entraîner le fluide gazeux dans le sens d'écoulement; - une turbomachine est commune aux moyens de brassage et aux moyens d' aspiration; T C - la turbomachine est un ventilateur centrifuge qui est disposé à l'extrémité aval du conduit de mélangeage, pour aspirer le fluide gazeux s'écoulant dans ce conduit de mélangeage; - le dispositif comporte une boucle de réqulation, autour d'une température prédéterminée, de la température de sortie du fluide gazeux sortant du dispositif de refroidissement, cette boucle de réqulation comprenant: 10. des moyens de mesure de ladite température de sortie; des moyens de réglage du détit d'azote alimentant les moyens de pulvérisation, et un réqulateur apte à commander lesdits moyens de réglage, à partir d'un signal émis par les moyens de mesure. L' invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique annexée qui est une w e schématique, en coupe axiale, d'un dispositif, conforme à l'invention, de retroidissement d'une veine d' air de refroidissement d' articles en chocolat. Dans un souci de clarté, les proportions du dispositif de refroidissement ne sont pas respectées sur cette figure unique. Le dispositif de refroidissement représenté est. pour l'essentiel, globalement symétrique par rapport à un axe vertical X-X'. I1 comprend une enceinte sensiblement étanche 1, laquelle comporte deux parois d'extrémité bombées, l'une supérieure 2 et l'autre inférieure 3, opposées et reliées entre elles par une paroi latérale ou virole cylindrique 4. Un conduit vertical 5 d' injection de l'air à refroidir dans le dispositif de refroidissement traverse la paroi inférieure 3 et déLouche dans un conduit de mélangeage 6, monté verticalement à l'intérieur de l'enceinte 1. Ce conduit de mélangeage 6 est sensiblement rectiligne, de section circulaire, et il possède une extrémité amont 7, ouverte et dirigée vers la paroi inférieure 3, et une extrémité aval 8, ouverte et dirigée vers la paroi supérieure 2. Le conduit d'injection 5, le conduit de mélangeage 6 et l'enceinte 1 sont sensiblement coaxiaux. Une portion dextrémité aval 9 du conduit d' injection , lequel a une section de passage nettement inférieure à celle du conduit de mélangeage 6, est introduite dans ltextrémité amont 7 de ce conduit 6 et est dirigée vers une surface d'impact 10. Cette surface d'impact 10, concave vers le bas et située à l'intérieur du conduit de mélangeage 6, est portée par un écran brise-jet 11, fixé au centre du conduit de mélangeage 6 au moyen de plusieurs bras radiaux llA. L'extrémité aval 8 du conduit de mélangeage 6 débouche directement dans laspiration axiale 12 d'un ventilateur centrifuge 13 monté dans la paroi supérieure 2 et pourvu d'un moteur d'entraînement 14. Le refoulement circonférentiel 15 du ventilateur centrifuge 13 s'étend en regard de la paroi latérale 4, dans l'enceinte 1, et il est situé en amont d'un passage annulaire et latéral de tranquillisation 16, que le conduit de mélangeage 6 et la paroi latérale 4 délimitent entre eux. L'enceinte 1 est pourvue d'une évacuation formée par une tubulure 17, dont l' embouchure donne dans le passage de tranquillisation 16. Une buse 18 de pulvérisation d'azote liquide est montée à l'intérieur du conduit de mélangeage 6, en aval de l l'écran brise-jet 11, au bout d'un tube 19 d'amenée de l'azote liquide. Elle est tournée vers l'extrémité aval 8 du conduit de mélangeage 6, c'est-à-dire dans le sens prévu de l'écoulement de l'air à refroidir. Le tube d'amenée 19 est pourvu d'une pompe 20. Une boucle 21 de régulation de la température de l'air en sortie du dispositif de refroidissement comporte un capteur 22 de mesure de la température dans la tubulure d'évacuation 17, ainsi qu'un réqulateur 23 relié à ce capteur 22 et à la pompe 20. Sur la figure unique, l'écoulement de l'air à l'intérieur du dispositif de refroidissement en fonctionnement est symbolisé par des flèches non référencoes. L'air à refroidir est comprimé à une pression de distribution, avant d'étre admis dans l'enceinte 1 par le conduit d'injection 5. I1 pénètre directement dans le conduit de mélangeage 6, sous la forme d'un jet qui se brise sur la surface dimpact 10. I1 est alors attiré par la dépression créée à l'entrée du ventilateur centrifuge 13 et se dirige vers l'extrémité aval 8 du conduit de mélangeage 6. Ce faisant, il s'écoule autour de la buse 18, qui pulvérise de 1'azote liquide sous forme de gouLtelettes. Ces gouLtelettes d'azote liquide pénètrent dautant mieux dans la veine d'air que passé l'écran brise jet 11, cette veine ayant une plus grande section, l'air s'écoule plus lentement. Les gouLtelettes d'azote pulvérisées se vaporisent dans l'air qui, de ce fait, est refroidi. L' air aspiré axialement par le ventilateur centrifuge 13 est refoulé radialement contre la paroi latérale 4, à l'entrée supérieure du passage annulaire 16. Aussi, outre qu'il aspire l'air présent dans le conduit de mélangeage 6, ce ventilateur centrifuge 13 effectue un brassage énergique de l'air. Ce brassage, d'autant plus efficace que l'air est T r j déLlecté dans le ventilateur 13 et contre la paroi latérale 4, homogénéise la veine et favorise la vaporisation des dernières gouttelettes d'azote. Une fois passé le ventilateur centrifuge 13, l'air refroidi s' engage dans le passage 16, o l'écoulement se tranquillise. Après avoir parcouru une partie de la longueur de ce passage de tranquillisation 16, l'essentiel de l'air aspiré par le ventilateur centrifuge 13 s'échappe par la tubulure d'évacuation 17, tandis qu'une faible partie de cet air se dirige vers l'extrémité amont 7 du conduit de mélangeage 6, avant de recirculer dans ce dernier. Toutes les gouLtelettes d'azote sont complètement vaporisées et l'air n'en contient plus lorsqu'il s' engage dans la tuLulure d'évacuation 17. Dans nombre dapplications, cela constitue un avantage. En particulier, dans l'exemple illustré, cela permet de refroidir des articles 24 en chocolat à solidifier, en envoyant directement dessus l'air récupéré dans la tubulure d'évacuation 17, étant rappelé qu'une altération rédhibitoire de l' aspect final du chocolat résulterait d'une mise en contact de ce chocolat en cours de solidification avec de l'azote liquide. La vaporisation de gouLtelettes d' azote dans l ' air à refroidir ne modifie pas qualitativement la composition de cet air. Aussi, ce dernier peut être rejeté dans ltaLmosphère sans souci d'une quelconque pollution, par exemple en étant soufflé sur les articles 24, pour à son tour refroidir ces articles 24 en défilement selon la flèche F. De l'eau, présente sous forme de vapeur dans l'air admis, peut former des condensats lors du refroidissement. L' orientation verticale de l'enceinte 1 et du conduit de mélangeage 6, ainsi que l' absence d'obturation de r r r l'extrémité amont 7 de ce conduit, facilitent l'évacuation de ces condensats par une purge non représentée, équipant la paroi inférieure 3. La température de sortie de l'air refroidi est régulée à l' aide de la boucle de réqulation 21, autour d'une température prédéterminée, fixée entre -196 C, qui est le point d'ébullition de l'azote sous la pression aLmosphérique, et la température ambiante à laquelle l'air à refroidir est admis par le conduit d'injection 5. A cet effet, le réqulateur 23 agit sur le débit d'azote liquide pulvérisé en commandant la vitesse de rotation de la pompe , à partir de la mesure de température effectuée par le capteur 22. L' invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit précédemment. En particulier, l'azote liquide peut être pulvérisé autrement qu'au moyen de la buse 18, par exemple à l' aide de rampes de pulvérisation. De plus, quoiqu'il brasse de manière particulièrement efficace l 'air, et bien qu' il assure simultanément une autre fonction, à savoir l 'aspiration du mélange présent dans le conduit de mélangeage 6, le ventilateur centrifuge 13 peut être remplacé par d'autres moyens de brassage, tel qu'un jeu de déflecteurs disposés en quinconce. sien que son utilisation se traduise par un ensemble compact, simple et robuste, il peut également être remplacé par une autre turbomachine, comme un ventilateur axial monté à l'intérieur du conduit de mélangeage 6. En outre, l' invention peut être mise en _uvre à l'aide d'un dispositif de refroidissement ayant une configuration d'ensemble sensiblement différente de celle qui vient d'être décrite, même si cette dernière possède d'indéniables qualités en termes de compacité et d'efficacité. r r Par a111eurs, 1'1nvenL10n pent atre mise en euvre pour refroidir up fluids gamut auLre que de l'air. Parm1 lea advantages de 1'1veL10, on Ortega gu'elle Helmet d'atte1ndre des temperatures articul1&rement Lasses, 1nfrieures -lSQ C et pouvant game avoisiner -196 c. ' r ': REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement d'une veine de fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles: a) on confine ladite veine; b) durant l'étape a), on pulvérise de l'azote liquide dans la veine pour refroidir le fluide gazeux, puis c) on récupère le fluide gazeux refroidi. 102. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue l'étape c) seulement après que l'azote liquide se soit complètement vaporisé dans la veine. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' avant l'étape b), il comporte une étape dans laquelle: d) on ralentit le fluide gazeux en augmentant la section de la veine. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l'étape d) , on dirige la veine sur une surface d'impact (10). 5. Procédé selon l'une quelcouque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après l'étape b) et avant l'étape c), il comporte une étape dans laquelle: e) on brasse la veine. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans l'étape e) , on brasse la veine en aspirant le fluide gazeux à l'aide d'une turbomachine (13). 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que dans l'étape e), on brasse la veine en la déflectant. 8. Procédé selon lune quelcouque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en agissant sur le déLit dazote liquide pulvérisé à l'étape b), on réqule la -_ r r température du fluide gazeux récupéré à l'étape c), autour d'une température prédéterminée. 9. Procédé de refroidissement d'articles (24), caractérisé en ce qu'il inclut le procédé de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi qu'au moins une étape dans laquelle on envoie le fluide gazeux récupéré à l'étape c) sur les articles (24). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fluide gazeux est de l'air. 11. Dispositif de refroidissement d'une veine de fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit de mélangeage (6) destiné à être paraouru par la veine, ainsi que des moyens (18) de pulvérisation d'azote liquide dans ce conduit de mélangeage (6). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de pulvérisation comprennent une buse de pulvérisation (18) déLouchant dans ledit conduit de mélangeage (6) et tournée sensiblement dans le sens prévu d'écoulement. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu' il comporte un conduit (5) d' injection du fluide gazeux dans le conduit de mélangeage (6), ce conduit d'inJection (5) étant dirigé vers au moins une surface d'impact (10) située à l'intérieur du conduit de mélangeage (6), et en ce qu'au moins sur un troncon contenant la surface d'impact (10) et lesdits moyens de pulvérisation (18), le conduit de mélangeage (6) a une section supérieure à la section du conduit d'injection (5). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le conduit d'injection (5) est engagé dans le conduit de mélangeage (6) par une extrémité amont (7) de ce conduit de mélangeage (6), ladite surface d'impact (10) étant tournée sensiblement vers cette extrémité amont (7). r -. 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que ladite surface d' impact (10) est concave. 16. Dispositif selon l'une queleouque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (13) de brassage du fluide gazeux, ces moyens de brassage (13) étant placés en aval des moyens de pulvérisation (18). 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (1) dans laquelle déLouche une extrémité aval (8) du conduit de mélangeage (6), l'enceinte (1) et le conduit de mélangeage (6) délimitant entre eux un passage (16) de tranquillisation pour le fluide gazeux, 1'enceinte (1) possédant une évacuation (17) pour le fluide gazeux, située au niveau dudit passage de tranquillisation (16). 18. Dispositif selon les revendications 16 et 17, caractérisé en ce que les moyens de brassage (13) sont placés en amont dudit passage de tranquillisation (16). 19. Dispositif selon les revendications 14 et 17, caractérisé en ce que l'extrémité amont (7) du conduit de mélangeage (6) est ouverte et situce dans l'enceinte (1). 20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d' aspiration (13) placés en aval des moyens de pulvérisation (18) et en amont de l'évacuation (17), et prévus pour entraîner le fluide gazeux dans le sens d'écoulement. 21. Dispositif selon les revendications 16 et 20, caractérisé en ce quune turbomachine (13) est commune aux moyens de brassage et aux moyens d' aspiration. 22. Dispositif selon les revendications 18 et 21, caractérisé en ce que la turbomachine est un ventilateur centrifuge (13) qui est disposé à l'extrémité aval (8) du T L conduit de mélangeage (6), pour aspirer le fluide gazeux s'écoulant dans ce conduit de mélangeage (6). 23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 21, caractérisé en ce qu'il comporte une bouale (21) de réqulation, autour d'une température prédéterminée, de la température de sortie du fluide gazeux sortant du dispositif de refroidissement, cette boucle de réqulation (21) comprenant: - des moyens (22) de mesure de ladite température de sortie; - des moyens (20) de réglage du débit d'azote alimentant les moyens de pulvérisation (13), et un réqulateur (23) apte à commander lesdits moyens de réglage (20), à partir d'un signal émis par les